燃料電池システム
【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配を行うことである。
【解決手段】燃料電池システム１０は、蓄電装置１４、燃料電池３０、電源回路１６、制御装置９０、記憶装置９４を含んで構成される。記憶装置９４は、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲９６を記憶し、制御装置９０は、燃料電池３０の水分布状態を取得する水分布状態推定取得処理部１００と、蓄電装置１４の充電状態を取得する充電状態推定取得処理部１０２と、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する組合せ状態判断処理部１０４と、組合せが好適組合せ範囲にないとき、燃料電池３０の水分布状態を向上させる組合せ状態向上処理部１０６を含んで構成される。
【解決手段】燃料電池システム１０は、蓄電装置１４、燃料電池３０、電源回路１６、制御装置９０、記憶装置９４を含んで構成される。記憶装置９４は、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲９６を記憶し、制御装置９０は、燃料電池３０の水分布状態を取得する水分布状態推定取得処理部１００と、蓄電装置１４の充電状態を取得する充電状態推定取得処理部１０２と、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する組合せ状態判断処理部１０４と、組合せが好適組合せ範囲にないとき、燃料電池３０の水分布状態を向上させる組合せ状態向上処理部１０６を含んで構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、蓄電装置と共に用いられる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池を搭載する車両では、燃料電池のほかに蓄電装置を備え、燃料電池の始動の際、あるいは、燃料電池の出力だけでは車両が要求する電力をまかなえないとき、この蓄電装置から必要な電力を供給することが行われる。
【０００３】
ここで、燃料電池は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。このとき、カソード側に反応生成物として水が生成される。生成された水は電解質膜を通してアノード側にも浸透してくるので、電解質膜のアノード側も適度な湿度となって、その湿度の下で水素のプロトンの移動が行われ、このプロトンと酸素との反応で発電が行われる。したがって、発電を効率よく行うには、電解質膜が適度な湿度となっていることが必要である。このように、燃料電池の出力は、電解質膜における水分布状態が関係してくるので、水分布状態を最適に維持するため、掃気処理や含水処理が行われる。
【０００４】
また、蓄電装置は、充放電を繰り返すが、過充電あるいは過放電によってその出力特性が劣化する。また、温度によって、その出力が変動する。このように、蓄電装置の出力は、充電状態が関係してくるので、充電状態としてのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が蓄電装置温度と共に管理される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池システムとして、インピーダンス測定値とＳＯＣ検出値とに基いて掃気処理を行うことが述べられている。また、通常運転モードのときはＳＯＣを考慮せずに一定時間掃気を行い、低温運転モードのときは始動性向上のための低湿度ガスを用いる掃気を行うことが述べられている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池システムとして、燃料電池スタック内の残留水量と、エアコンプレッサに電力を供給する２次電池の温度と、２次電池の充電量とに基き掃気状態を決定し、エアコンプレッサの供給量を制御することが述べられている。
【０００７】
また、特許文献３には、燃料電池システムとして、燃料電池と２次電池から負荷と補機とが必要とする最大電力が供給できるときは通常の運転を行い、供給できないときは暖機処理を行うことが述べられている。ここで、暖機処理は、燃料電池は発電と停止を繰り返し、２次電池は充電と放電を繰り返すことで行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２８２７６７号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４０７１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来技術においては、燃料電池における出力確保、蓄電装置における出力確保がそれぞれ行われ、燃料電池の運転時における水分布状態の目標範囲、蓄電装置の運転時におけるＳＯＣの目標範囲が定められる。また、運転時において燃料電池の出力が不足するときは蓄電装置の出力を利用し、蓄電装置の出力が不足すれば燃料電池からの充電が行われる。このように、要求出力に対する出力分配も行われる。
【００１０】
ところで、燃料電池の水分布状態が目標範囲から外れたとき、または蓄電装置の充電状態が目標範囲から外れた場合、これらを目標範囲にもってくるときの燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配については、上記従来技術は述べていない。
【００１１】
本発明の目的は、燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配を可能とする燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の水分布状態を推定して取得する手段と、蓄電装置の充電状態を取得する手段と、燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する判断手段と、実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置の出力を用いて燃料電池の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる組合せ状態向上手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときであって、判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分であると判断するときに、組合せ状態向上手段は、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときであって、判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が不十分で、燃料電池の水分布状態も不十分であると判断するときに、組合せ状態向上手段は、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、組合せ向上手段は、燃料電池の水分布状態が過大であるときに、掃気用ガスを供給するエアコンプレッサを運転させる掃気手段であることが好ましい。なお、水分布状態が過大とは、燃料電池の出力特性が不十分となるほどに含水量が大きいことを指し、逆に水分布状態が過小とは、燃料電池の出力特性が不十分となるほどに含水量が小さいことを指す。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、組合せ向上手段は、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池の背圧調整弁の開度を調整し、燃料電池の背圧を上げて水分布状態を最適にすることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、組合せ向上手段は、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池用の冷媒循環ポンプの作動を調整し、燃料電池の温度を低下させて水分布状態を最適にすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成により、燃料電池システムは、燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、実際の水分布状態と充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断し、実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置の出力を用いて燃料電池の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる。
【００１９】
燃料電池システムは、蓄電装置を含んで構成されるが、通常の運転状態では、燃料電池が主たる電力供給源である。上記構成によれば、この主たる電力供給源である燃料電池の水分布状態を最適化し、あるいは最適化を維持するように蓄電装置を効果的に用いる。このような燃料電池と蓄電装置の間の出力分配によって、蓄電装置を含む燃料電池システムの全体としての出力を効果的なものとすることができる。
【００２０】
また、燃料電池システムにおいて、車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときであって、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分であると判断するときに、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させる。これによって、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【００２１】
また、燃料電池システムにおいて、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときであって、蓄電装置の充電状態が不十分で、燃料電池の水分布状態も不十分であると判断するときには、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させる。これによって、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【００２２】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態が過大であるときに、掃気用ガスを供給するエアコンプレッサを運転させる。これによって、燃料電池の水分布状態を適正にして、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【００２３】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池の背圧調整弁の開度を調整し、燃料電池の背圧を上げて水分布状態を最適にする。また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池用の冷媒循環ポンプの作動を調整し、燃料電池の温度を低下させて水分布状態を最適にする。これによって、燃料電池の水分布状態を適正にして、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体部の構成を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときの燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配の様子を説明する図である。
【図６】図５の場合における分配方法の１つの例を説明する図である。
【図７】図５の場合における分配方法の他の例を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときの燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配の様子を説明する図である。
【図９】図８の場合における分配方法の他の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に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。以下では、燃料電池システムの出力が利用される外部負荷として、１台の回転電機を説明するが、勿論複数台の回転電機であっても構わない。また、外部負荷として、回転電機以外の電気機器を含むものとしてよい。
【００２６】
以下で説明する水分布状態の最適範囲、好適範囲、ＳＯＣの最適範囲、好適範囲等は例示であって、具体的には、燃料電池システムの仕様、燃料電池本体部の特性、蓄電装置の特性に応じて変更が可能である。
【００２７】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２８】
図１は、電気自動車に搭載される燃料電池システム１０の構成を説明する図である。燃料電池システム１０は、駆動源として燃料電池３０と蓄電装置１４とを含み、電気自動車の要求出力９２に応じた運転を行い、負荷に必要な電力を供給するシステムである。ここでは、燃料電池システム１０の構成要素ではないが、外部負荷としての回転電機１２が図示されている。
【００２９】
ここで、回転電機１２は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、電力が供給されるときはモータとして機能し、制動時には発電機として機能する３相同期型回転電機である。
【００３０】
燃料電池システム１０は、蓄電装置１４と燃料電池３０と、電源回路１６と、制御装置９０と、記憶装置９４とを含んで構成される。
【００３１】
蓄電装置１４は、充放電可能な高電圧２次電池であって、例えば、燃料電池３０の始動時、あるいは燃料電池３０の出力が負荷の要求電力に不足するとき等に、負荷に電力を供給する機能を有する。なお、負荷とは、車両に搭載されて、電気エネルギで動作するものを指すので、外部負荷である回転電機１２以外にも、インバータ２８、燃料電池３０に含まれる掃気処理や含水処理に用いられる各種補機等の内部負荷を含むものである。
【００３２】
かかる蓄電装置１４としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。なお、蓄電装置１４はいわゆる高電圧バッテリであり、単にバッテリとして述べる場合には、この蓄電装置１４を指すことが多い。したがって、以下では、蓄電装置１４を必要に応じてバッテリまたはＢＡＴと示すものとする。
【００３３】
蓄電装置１４の温度である蓄電装置温度と、充電状態を示すＳＯＣのデータは、適当な信号線によって制御装置９０に伝送される。ＳＯＣは、蓄電装置１４に流れ込む充電電流と、蓄電装置１４から流れ出す放電電流を監視して算出される値を用いることができる。
【００３４】
電源回路１６におけるＢＡＴ電圧変換器２０は、蓄電装置１４と負荷との間に設けられ、蓄電装置１４の端子間電圧と負荷側の電圧との間の電圧変換を行うバッテリ電圧変換器である。ここで、ＢＡＴとはバッテリを意味する。ＢＡＴ電圧変換器２０は、リアクトルとスイッチング素子を含んで構成される。
【００３５】
ＦＣ電圧変換器２４は、燃料電池３０と負荷との間に設けられ、燃料電池３０の端子間電圧と負荷側の電圧との間の電圧変換を行う燃料電池電圧変換器である。ここで、ＦＣとは、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を意味する。ＦＣ電圧変換器２４は、リアクトルとスイッチング素子を含んで構成される。
【００３６】
インバータ２８は、高電圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１２に供給する機能と、逆に回転電機１２からの交流三相回生電力を高電圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。インバータ２８は、スイッチング素子とダイオード等を含む回路で構成することができる。
【００３７】
平滑コンデンサ１８，２２，２６は、それぞれ、蓄電装置１４側、燃料電池３０側、インバータ２８側の電圧、電流の変動を抑制して平滑化する容量素子である。
【００３８】
燃料電池３０は、ＦＣ本体部４０と、掃気処理部３２と、含水処理部３４を含んで構成される。図２は燃料電池３０の構成を説明する図である。ＦＣ本体部４０は、燃料電池スタック４２と、その運転に必要な各種補機を含んで構成される。
【００３９】
燃料電池スタック４２は、燃料電池セルを複数組み合わせて、約２００Ｖから約３００Ｖ程度の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池である。各燃料電池セルは、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。
【００４０】
各種補機は、大別して、燃料ガス供給系４４を構成する補機と、酸化ガス供給系４６を構成する補機と、冷却系４８を構成する補機に分けることができる。
【００４１】
燃料ガス供給系４４は、燃料電池スタック４２に、その運転に必要な燃料ガスを適切な圧力と流量で供給する機能を有するガス供給部である。燃料ガス供給系４４は、高圧水素ガスが充填された燃料ガスタンク５０から、開閉弁５２と、圧力と流量を粗調整する調整弁５４と、適切な圧力と流量に調整する水素供給装置５６を経由して、燃料電池スタック４２の入力ポートに燃料ガスを供給する入口側流路部と、燃料電池スタック４２の中を通って出力ポートから排出される使用済みガスを流す出口側流路部とを含む。
【００４２】
出口側流路には図示されていない気液分離器が設けられ、ここでは、使用済みガスである水蒸気を含むガスについて分離が行われる。出口側流路と入口側流路を結ぶ循環流路に設けられる水素ポンプ５８は、気液分離器で分離された水素ガスを再び入口側流路に戻す循環ポンプである。気液分離器で分離された水分含みの不純物ガスは、適当なタイミングで開閉される開閉弁６４を経由して希釈器６６に送られ、そこで酸化ガス供給系４６からの使用済みガスによって希釈されて外部に排出される。
【００４３】
酸化ガス供給系４６は、燃料電池スタック４２に、その運転に必要な酸化ガスを適切な圧力と流量で供給する機能を有するガス供給部である。酸化ガス供給系４６は、ＡＩＲ６８として示される外気を供給源とし、図示されていない適当なフィルタ、エアコンプレッサであるＡＣＰ７０、加湿装置７４を経由して、燃料電池スタック４２の入力ポートに酸化ガスを供給する入口側流路部と、燃料電池スタック４２の中を通って出力ポートから排出される使用済みガスを流す出口側流路部とを含む。
【００４４】
燃料電池スタック４２には、このように燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである加圧大気がそれぞれ供給される。これらのガスは、電解質膜を介した電気化学反応によって発熱し、反応生成物として水を生成しながら、起電力を発生する。これによって発電が行われ、発電電力が燃料電池３０の出力電力として、ＦＣ電圧変換器２４の側に出力される。
【００４５】
出口側流路に設けられる背圧調整弁７２は、燃料電池スタック４２の中の酸化ガスの圧力を規制して調整する調整弁である。背圧調整弁７２を通ってきた反応生成物である水分混じりの使用済みガスは加湿装置７４に加湿ガスとして入力され、先ほどの入口側流路部を流れてくる酸化ガスを加湿する。加湿を終えて加湿装置７４から出てきた使用済みガスは希釈器６６に送られる。
【００４６】
冷却系４８は、燃料電池スタック４２を電気化学反応に適した運転温度に維持するために冷媒を循環させる機能を有する。冷却系４８は、冷媒循環ポンプ８０と、ラジエータ８２と、ラジエータ８２に向かう冷媒流量を調整するための三方弁８４を含んで構成される。
【００４７】
図２に示されるように、水素ガス入力圧力ＰH、水素ポンプ５８で戻される水素ガス流量ＱH、酸化ガス流量ＱO、背圧調整弁７２で調整された酸化ガス圧力ＰO、冷媒温度θWを検出するために、圧力計６０，７８、流量計６２，７６、温度計８６が設けられる。
【００４８】
掃気処理部３２と含水処理部３４は、燃料電池スタック４２の水分布状態を適正にするために、これらの各種補機の動作を制御する機能を有する制御部である。上記のように、燃料電池３０の発電には、燃料電池スタック４２に含まれる電解質膜が適度な湿度となっていることが必要であるが、燃料電池スタック４２の水分布状態とは、この電解質膜における湿度を示すものである。
【００４９】
水分布状態の値は、燃料電池スタック４２のインピーダンス測定によって求めることができる。例えば、燃料電池スタック４２の出力端子に適当な交流信号を重畳させ、この交流信号によって燃料電池スタック４２のインピーダンスを測定し、水分布状態を示す含水量に対応する値を求めることができる。求められた水分布状態を示す含水量のデータは、適当な信号線で制御装置９０に伝送される。
【００５０】
掃気処理部３２は、燃料電池スタック４２の水分布状態が過大、すなわち燃料電池スタック４２の出力特性が十分でない程度に含水量が大きいときに、燃料電池スタック４２から水分を掃き出すための補機の動作を制御する。例えば、ＡＣＰ７０の回転数等を上昇させ、酸化ガスの供給量を増加させる制御を行う。その際に、加湿装置７４をバイパスする適当な流路を設け、そのバイパス流路を経由して燃料電池スタック４２に乾燥した酸化ガスを大量に流すことが好ましい。このように、ＡＣＰ７０の動作を制御して、酸化ガスの供給流量と供給圧力を高めて掃気処理を行うことができる。
【００５１】
含水処理部３４は、燃料電池スタック４２の水分布状態が過小、すなわち燃料電池スタック４２の出力特性が十分でない程度に含水量が小さいときに、燃料電池スタック４２の含水量を上げるための補機の動作を制御する。例えば、背圧調整弁７２の開度を調整し、燃料電池スタック４２の背圧を上げ、酸化ガスの流れを絞る制御を行う。このように、酸化ガスの流れを十分に絞ることで、加湿装置７４を経由した加湿酸化ガスが燃料電池スタック４２の中に十分に留まることができ、含水量を上げることができる。
【００５２】
また、冷媒循環ポンプ８０の回転数を上げて、燃料電池スタック４２に送り込まれる冷媒流量を増加させる制御を行って含水量を上げることもできる。冷媒流量が増加すれば、燃料電池スタック４２の温度が低下し、燃料電池スタック４２の内部の湿度を上げることができる。
【００５３】
また、水素ポンプ５８の回転数を上げて、燃料ガス供給系４４の出力ポートから入口側流路に戻す水素ガスの量を増やす制御を行う。これによって、アノード側の水素に含まれる水分をカソード側に戻すことができ、燃料電池スタック４２の含水量を高めることができる。
【００５４】
再び図１に戻り、制御装置９０は、図示されていない車両制御装置から指示される要求出力９２に従って、燃料電池システム１０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有する。ここで、要求出力９２は、車両運行に際し、車両に搭載される全ての電気機器に必要な電力を燃料電池システム１０の出力に換算した値である。具体的には、走行用の回転電機１２に必要な電力の他、回転電機１２に接続される電源回路１６に必要な電力、燃料電池３０を構成する各種補機に必要な電力、エアコンディショナ、オーディオ機器、小型モータ、制御回路等に必要な電力を含む。
【００５５】
制御装置９０は、上記の総合的制御機能の他に、特にここでは、燃料電池３０の水分布状態と、蓄電装置１４の充電状態とを考慮して、燃料電池３０と蓄電装置１４の効果的な出力分配を制御する機能を有する。かかる制御装置９０は、車両搭載に適したコンピュータで構成することができる。
【００５６】
制御装置９０は、燃料電池３０の水分布状態を推定して取得する水分布状態推定取得処理部１００と、蓄電装置１４の充電状態を取得する充電状態推定取得処理部１０２と、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する組合せ状態判断処理部１０４と、実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる組合せ状態向上処理部１０６を含んで構成される。
【００５７】
これらの機能はソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、燃料電池システム制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００５８】
制御装置９０に接続される記憶装置９４は、燃料電池システム制御プログラムを記憶する他、ここでは、特に、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲９６を記憶する。かかる記憶装置９４は、適当なメモリを用いることができる。
【００５９】
図３は、好適組合せ範囲９６の一例を示す図である。この例の好適組合せ範囲９６は、横軸に蓄電装置１４の充電状態の値であるＳＯＣ、縦軸に燃料電池３０の水分布状態の値である含水量がとられ、好適範囲が斜線で示されている。なお、好適範囲の中でさらに好適な範囲を最適範囲として、斜線の密度を高くして示した。このように図３はマップであるが、記憶装置９４には、マップ形式の他、含水量とＳＯＣとを入力することで好適範囲であるか否かを示す１または０が出力される形式、好適範囲とそれ以外の領域との境界線を式で表す計算式の形式等で、記憶することができる。
【００６０】
図３において、ＳＯＣの範囲は、Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の値を境界として、５つに区分される。この中で、Ａ2とＡ3の間の範囲が、従来から蓄電装置１４の推奨動作範囲として示されるＳＯＣの範囲である。そして、その外側のＡ1からＡ2の間、Ａ3からＡ4の間の範囲は、蓄電装置１４の推奨動作範囲ではないが、その範囲で動作させている限りでは、蓄電装置１４の特性が劣化することはない動作可能範囲である。Ａ1以下、Ａ4以上は、蓄電装置１４の特性劣化が生じ得る動作禁止範囲である。
【００６１】
例えば、推奨動作範囲をＳＯＣで４０％から６０％とすると、動作可能範囲は３０％から７０％と設定することができる。なお、この数字は説明のための例示である。
【００６２】
また、含水量の範囲は、Ｂ1，Ｂ2，Ｂ3，Ｂ4の値を境界として、５つに区分される。この中で、Ｂ2とＢ3の間の範囲が、従来から燃料電池３０の推奨動作範囲として示される含水量の範囲である。そして、その外側のＢ1からＢ2の間、Ｂ3からＢ4の間の範囲は、燃料電池３０の推奨動作範囲ではないが、その範囲で動作させている限りでは、燃料電池３０の特性が劣化することはない動作可能範囲である。Ｂ1以下、Ｂ4以上は、燃料電池３０の特性劣化が生じ得る動作禁止範囲である。
【００６３】
含水量の値は、定義あるいは測定方法によって異なるが、例えばある基準で定めた含水率を含水量とすることができる。そのように定めた含水量を用いるとして、例えば、推奨動作範囲を含水量で４０％から６０％とすると、動作可能範囲は３０％から７０％と設定することができる。なお、この数字は説明のための例示である。
【００６４】
従来は、ＳＯＣがＡ2とＡ3の間の範囲で、かつ含水量がＢ2とＢ3の間の範囲が、燃料電池システムの推奨動作範囲１１０とされている。図３では、この推奨動作範囲１１０の外側に、低ＳＯＣ側動作範囲１１２と、高ＳＯＣ側動作範囲１１４を設定している。低ＳＯＣ側動作範囲１１２は、ＳＯＣが低いが、含水量は推奨動作範囲にある領域である。ここでは、蓄電装置１４の出力が不足する分、燃料電池３０の出力で補うことで、要求出力を満たすことが可能である。また、高ＳＯＣ側動作範囲１１４は、ＳＯＣが十分高いが、含水量が推奨動作範囲から外れる領域である。ここでは、燃料電池３０の出力が不足する分、蓄電装置１４の出力で補うことで、要求出力を満たすことが可能である。
【００６５】
このようにして、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態との好適組合せ範囲９６は、従来からの推奨動作範囲１１０の外側に、低ＳＯＣ側動作範囲１１２と、高ＳＯＣ側動作範囲１１４を加えた範囲である。なお、好適範囲の中でさらに好適な範囲である最適範囲は、推奨動作範囲１１０である。この好適範囲の組合せであれば、燃料電池３０の特性劣化も生じることなく、蓄電装置１４の特性劣化も生じることなく、燃料電池３０と蓄電装置１４の出力分配を適切に行うことで、要求出力を満たすことが可能である。
【００６６】
上記構成の作用、特に、制御装置９０の各機能について、図４を用いて説明する。図４は、燃料電池３０と蓄電装置１４の間の効果的な出力分配の手順を示すフローチャートである。各手順は、燃料電池システム制御プログラムの各処理手順に対応する。
【００６７】
通常は、燃料電池システム１０は、推奨動作範囲１１０で動作する通常制御が実行される（Ｓ１０）。そのように動作していても、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態は時々刻々変化するので、適当な時間間隔で、水分布状態推定値の取得（Ｓ１２）と、充電状態推定値の取得（Ｓ１４）が行われる。これらの処理手順は、制御装置９０の水分布状態推定取得処理部１００と充電状態推定取得処理部１０２の機能によって実行される。具体的には、燃料電池３０から伝送される水分布状態である含水量のデータと、蓄電装置１４から伝送される充電状態であるＳＯＣのデータを取得する。
【００６８】
次に、取得した水分布状態を示す含水量と、取得した充電状態を示すＳＯＣとの組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かについて判断される（Ｓ１６）。この処理手順は、制御装置９０の組合せ状態判断処理部１０４の機能によって実行される。具体的には、記憶装置９４の好適組合せ範囲９６を読み出し、取得された実際の含水量とＳＯＣの組合せが、図４で説明した推奨動作範囲１１０、低ＳＯＣ側動作範囲１１２、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の範囲内であるか否かを決定する。これらの範囲内に、実際の含水量とＳＯＣの組合せがあれば、好適組合せであるとして、Ｓ１０に戻る。
【００６９】
推奨動作範囲１１０、低ＳＯＣ側動作範囲１１２、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の範囲内に、実際の含水量とＳＯＣの組合せがない場合には、組合せ状態向上のための処理が行われる（Ｓ１８）。この処理手順は、制御装置９０の組合せ状態向上処理部１０６の機能によって実行される。具体的には、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる処理が行われる。すでに好適範囲にあるが最適状態でないときは、さらに燃料電池３０の水分布状態を向上させる処理が行われる。Ｓ１８の処理が終了すると、再びＳ１０に戻り、定められた時間間隔で、上記の手順が繰り返される。
【００７０】
組合せ向上処理の例を図５から図９を用いて説明する。図５から図７は、実組合せが、蓄電装置１４の充電状態が不十分で、燃料電池３０の水分布状態も不十分である場合で、低ＳＯＣ側動作範囲１１２近傍の状態のときである。図８と図９は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分である場合で、高ＳＯＣ側動作範囲近傍のときである。
【００７１】
図５は、上記のように、蓄電装置１４の充電状態が不十分で、燃料電池３０の水分布状態も不十分な組合せの場合である。図５には、好適組合せ９６の低ＳＯＣ側動作範囲１１２の部分の拡大図が示されており、動作点１２０が現在の状態である。動作点１２２と動作点１２４は、燃料電池３０と蓄電装置１４の出力分配を行った場合の動作点の移動を示すもので、動作点１２２が図４の手順によるもので、動作点１２４は、比較のために従来技術によるものが示されている。
【００７２】
図５に示されるように、現在の動作点１２０は、低ＳＯＣ側動作範囲１１２よりも外れている。つまり、単独で見ると、燃料電池３０の含水量はＢ2とＢ3の範囲にあって十分な状態であるが、蓄電装置１４の充電状態であるＳＯＣが不足する。これを好適組合せ９６と比較すると、動作点１２０は好適組合せ９６の外にあり、ユーザとしては要求出力９２を出しても思うようには出力が出ないことになる。このような場合の例として、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池３０が運転停止状態から運転再開状態に移行するときがあげられる。
【００７３】
車両が最大出力状態の例として、アクセルをいっぱいに踏み込まれるＷＯＴ（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）の場合には、その要求出力９２に対して、燃料電池３０の出力で不足する分は蓄電装置１４の出力で補うことになる。そのときに蓄電装置１４のＳＯＣがＡ2以下であると、燃料電池３０の含水量がＢ2とＢ3の間にあっても、燃料電池システム１０の全体の出力としては、要求出力９２を満たせないことが生じ得る。
【００７４】
燃料電池３０が運転停止状態から運転再開状態に移行するときの例として、燃料電池３０の間欠運転明けといわれる場合には、燃料電池３０の運転停止状態が続いていたので、その含水量がＢ2近傍またはＢ3近傍のことがあり得る。
【００７５】
これらの場合には、燃料電池システム１０の全体の出力状態から見ると、蓄電装置１４の充電状態が不十分で、燃料電池３０の水分布状態も不十分な組合せとなる。つまり、好適組合せ９６と比較すると、含水量とＳＯＣの組合せで示される動作点１２０が、低ＳＯＣ側動作範囲１１２の外にあることになる。
【００７６】
従来技術では、燃料電池３０の含水量がＢ2からＢ3の間にあるので、そのまま燃料電池３０の運転を続けることがあり得る。そのようなときには、燃料電池３０の含水量がＢ2からＢ3の中間に次第に向かうが、蓄電装置１４のＳＯＣが補機等に費やされると、どんどん低下し、低ＳＯＣ側動作範囲１１２になかなか到達しない。動作点１２４はそのような従来技術の状態を表している。
【００７７】
図４の手順によると、Ｓ１８において、組合せ状態向上のための処理が行われる。ここでは、上記のように、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを示す動作点１２０を、好適組合せ範囲１１２の中の動作点１２２に移動させる処理が行われる。つまり、ここでは、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に使って、燃料電池３０の掃気処理を行う。掃気処理は、掃気処理部３２の機能によって実行され、上記のように、ＡＣＰ７０の回転数を上げる。動作点１２２になれば、ここでは好適組合せ０６の範囲内であるので、要求出力９２通りの出力を出すことが可能になり、ユーザにとって思い通りの出力が得られて、ドライバビリティが向上する。
【００７８】
掃気処理を直接的に蓄電装置１４の出力を用いて行ってもよいが、蓄電装置１４で要求出力９２を分担している間に掃気処理を行うものとしてもよい。図６と図７は、そのような処理の具体的な２つの例を示す図である。
【００７９】
図６は、燃料電池３０の出力レベルを下げ、不足する分を蓄電装置１４で補うものである。図６でＦＣとあるのが燃料電池３０の出力で、ＢＡＴとあるのが蓄電装置１４の出力である。このようにして燃料電池３０の出力レベルを下げて、電気化学反応による水の生成よりも排水の方が多くなるようにして、実質的に燃料電池３０の掃気処理を行う。ここでは、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に、要求出力９２の不足分に有効に使い、その間に、燃料電池３０の掃気処理が行われ、動作点が好適組合せ９６の中に移動させる事が行われる。
【００８０】
図７は、燃料電池３０が出力される前に、掃気処理を行い、その間は、蓄電装置１４の出力のみで要求出力９２をまかなうものである。ここでは、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に、要求出力９２の全部をまかなうように有効に使い、その間に、燃料電池３０の掃気処理が行われ、動作点が好適組合せ９６の中に移動させる事が行われる。
【００８１】
なお、図５では、低ＳＯＣ側動作範囲１１２の含水量が大きい側の境界線１１１よりも含水量が大きい方に、動作点１２０がある場合を説明し、そのときには蓄電装置１４の出力を早めに集中的に使って、燃料電池３０の掃気処理を行うものとした。これとは逆に、低ＳＯＣ側動作範囲１１２の含水量が小さい側の境界線よりも含水量が小さい方に、動作点１２０がある場合には、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に使って、燃料電池３０の含水処理を行うものとできる。含水処理は、含水処理部３４の機能によって実行され、例えば、背圧調整弁７２の開度を調整し、あるいは冷媒循環ポンプの作動を調整する。
【００８２】
次に、図８は、上記のように、蓄電装置１４の充電状態が良好で、燃料電池３０の水分布状態が不十分である場合である。図８には、好適組合せ９６の高ＳＯＣ側動作範囲１１４の部分の拡大図が示されており、動作点１３０が現在の状態である。動作点１３２，１３４と動作点１４０は、燃料電池３０と蓄電装置１４の出力分配を行った場合の動作点の移動を示すもので、動作点１３２，１３４が図４の手順によるもので、動作点１４０は、比較のために従来技術によるものが示されている。
【００８３】
図８に示されるように、現在の動作点１２０は、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の中にあるが、単独で見ると、燃料電池３０の含水量はＢ3を超えていて推奨動作範囲である最適範囲になく、蓄電装置１４の充電状態であるＳＯＣは十分あるが、これも推奨動作範囲である最適範囲にない。これを好適組合せ９６と比較すると、動作点１２０は好適組合せ９６の中にあるが、最適組合せである推奨動作範囲１１０を外れていて、燃料電池３０の運転効率が必ずしも最良状態ではない。ユーザから見ると、要求出力９２を出しても必ずしも思うようには出力が出ないことがあり得る。このような場合の例としては、車両が始動時、または、蓄電装置１４の出力で走行するバッテリ走行のときがあげられる。
【００８４】
車両が始動時には、それ以前に燃料電池３０によって蓄電装置１４が十分に充電され、ＳＯＣがＡ3を超えていることがある。そして、車両の始動時には車速が低速であるので、燃料電池３０で駆動するよりも蓄電装置１４の出力で駆動したほうが燃料電池システム１０の全体として効率がよいことが知られている。したがって、燃料電池３０は運転していないので、含水量がＢ2とＢ3の間である最適範囲を超えていることがある。このような場合には、車両を始動できるが、燃料電池３０の含水量としてはさらに向上させる余地がある。
【００８５】
始動時からのように蓄電装置１４による走行であるバッテリ走行から、燃料電池３０による走行であるＦＣ走行に移る場合も同様で、蓄電装置１４のＳＯＣは十分であるが、燃料電池３０の含水量としてはさらに向上させる余地がある。
【００８６】
これらの場合には、燃料電池システム１０の全体の出力状態から見ると、蓄電装置１４の充電状態が十分で、燃料電池３０の水分布状態が不十分な組合せとなる。つまり、好適組合せ９６と比較すると、含水量とＳＯＣの組合せで示される動作点１２０が好適範囲である高ＳＯＣ側動作範囲１１４の中にあるが、燃料電池３０の含水量は最適範囲の外にあることになる。
【００８７】
従来技術では、燃料電池３０を運転せずに、蓄電装置１４の出力だけで走行を続けることがあり得る。そのようなときには、蓄電装置１４のＳＯＣはどんどん低下するが、燃料電池３０の含水量はそのままであるので、図８の拡大図に示されるように、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の含水量が高い側の境界線１１３を超えて、好適組合せ範囲９６である高ＳＯＣ側動作範囲１１４を外れてしまうことが生じる。このようになると、ユーザが要求出力９２を出しても、思うように出力が出ないことになる。
【００８８】
図４の手順によると、Ｓ１８において、組合せ状態向上のための処理が行われる。すなわち、動作点が好適組合せ範囲９６である高ＳＯＣ側動作範囲１１４の範囲を維持するように、燃料電池３０の含水量を最適範囲に移すことが行われる。ここでは、上記のように、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを示す動作点１２０を、好適組合せ範囲１１２の中に維持し、燃料電池３０の含水量を最適範囲に移動させる処理が行われる。つまり、ここでは、蓄電装置１４の出力を用いて、燃料電池３０の掃気処理を行う。掃気処理は、掃気処理部３２の機能によって実行され、上記のように、ＡＣＰ７０の回転数を上げる。
【００８９】
図８では、最初に燃料電池３０を動作させずに、蓄電装置１４のみで出力をまかなう処理が行われる。したがって、燃料電池３０の含水量はそのままとして、蓄電装置１４のＳＯＣが低下する。そして、組合せ状態が境界線１１３のごく手前、あるいは境界線１１３上の動作点１３２となると掃気処理を行い、燃料電池３０の含水量を下げ、組合せ状態を境界線１１３に平行に移動させる。掃気処理は蓄電装置１４の出力のみを用いて行ってもよく、燃料電池３０の出力と蓄電装置１４の出力を分配するものとしてもよい。動作点１３４は、そのような分配処理が行われた状態を示している。このような出力分配処理を行うことで、組合せ状態が好適組合せ範囲の中にあることを維持し、燃料電池３０の含水量をより好適なものとして、最適範囲に近づけることができる。
【００９０】
図９は別の出力分配の例を示す図で、ここでは、最初の動作点１３０から、組合せ状態が境界線１１３に平行に移動するように掃気処理を行う。掃気処理は蓄電装置１４の出力のみを用いて行ってもよく、燃料電池３０の出力と蓄電装置１４の出力を分配するものとしてもよい。動作点１３６は、そのような分配処理が行われた状態を示している。このような出力分配処理を行うことで、組合せ状態が好適組合せ範囲の中にあることを維持し、燃料電池３０の含水量をより好適なものとして、最適範囲に近づけることができる。
【００９１】
なお、図８では、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の含水量が大きい側の境界線１１３の近傍に、動作点１２０がある場合を説明し、燃料電池３０の掃気処理を行うものとした。これとは逆に、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の含水量が小さい側の境界線の近傍に動作点１３０がある場合には、燃料電池３０の含水処理を行うものとできる。含水処理は、含水処理部３４の機能によって実行され、例えば、背圧調整弁７２の開度を調整し、あるいは冷媒循環ポンプの作動を調整する。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載される燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 燃料電池システム、１２ 回転電機、１４ 蓄電装置、１６ 電源回路、１８，２２，２６ 平滑コンデンサ、２０ ＢＡＴ電圧変換器、２４ ＦＣ電圧変換器、２８ インバータ、３０ 燃料電池、３２ 掃気処理部、３４ 含水処理部、４０ ＦＣ本体部、４２ 燃料電池スタック、４４ 燃料ガス供給系、４６ 酸化ガス供給系、４８ 冷却系、５０ 燃料ガスタンク、５２，６４ 開閉弁、５４ 調整弁、５６ 水素供給装置、５８ 水素ポンプ、６０，７８ 圧力計、６２，７６ 流量計、６６ 希釈器、７２ 背圧調整弁、７４ 加湿装置、８０ 冷媒循環ポンプ、８２ ラジエータ、８４ 三方弁、８６ 温度計、９０ 制御装置、９２ 要求出力、９４ 記憶装置、９６ 好適組合せ範囲、１００ 水分布状態推定取得処理部、１０２ 充電状態推定取得処理部、１０４ 状態判断処理部、１０６ 状態向上処理部、１１０ 推奨動作範囲、１１１，１１３ 境界線、１１２ 低ＳＯＣ側動作範囲、１１４ 高ＳＯＣ側動作範囲、１２０，１２２，１２４，１３０，１３２，１３４，１３６，１４０ 動作点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、蓄電装置と共に用いられる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池を搭載する車両では、燃料電池のほかに蓄電装置を備え、燃料電池の始動の際、あるいは、燃料電池の出力だけでは車両が要求する電力をまかなえないとき、この蓄電装置から必要な電力を供給することが行われる。
【０００３】
ここで、燃料電池は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。このとき、カソード側に反応生成物として水が生成される。生成された水は電解質膜を通してアノード側にも浸透してくるので、電解質膜のアノード側も適度な湿度となって、その湿度の下で水素のプロトンの移動が行われ、このプロトンと酸素との反応で発電が行われる。したがって、発電を効率よく行うには、電解質膜が適度な湿度となっていることが必要である。このように、燃料電池の出力は、電解質膜における水分布状態が関係してくるので、水分布状態を最適に維持するため、掃気処理や含水処理が行われる。
【０００４】
また、蓄電装置は、充放電を繰り返すが、過充電あるいは過放電によってその出力特性が劣化する。また、温度によって、その出力が変動する。このように、蓄電装置の出力は、充電状態が関係してくるので、充電状態としてのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が蓄電装置温度と共に管理される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池システムとして、インピーダンス測定値とＳＯＣ検出値とに基いて掃気処理を行うことが述べられている。また、通常運転モードのときはＳＯＣを考慮せずに一定時間掃気を行い、低温運転モードのときは始動性向上のための低湿度ガスを用いる掃気を行うことが述べられている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池システムとして、燃料電池スタック内の残留水量と、エアコンプレッサに電力を供給する２次電池の温度と、２次電池の充電量とに基き掃気状態を決定し、エアコンプレッサの供給量を制御することが述べられている。
【０００７】
また、特許文献３には、燃料電池システムとして、燃料電池と２次電池から負荷と補機とが必要とする最大電力が供給できるときは通常の運転を行い、供給できないときは暖機処理を行うことが述べられている。ここで、暖機処理は、燃料電池は発電と停止を繰り返し、２次電池は充電と放電を繰り返すことで行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２８２７６７号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４０７１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来技術においては、燃料電池における出力確保、蓄電装置における出力確保がそれぞれ行われ、燃料電池の運転時における水分布状態の目標範囲、蓄電装置の運転時におけるＳＯＣの目標範囲が定められる。また、運転時において燃料電池の出力が不足するときは蓄電装置の出力を利用し、蓄電装置の出力が不足すれば燃料電池からの充電が行われる。このように、要求出力に対する出力分配も行われる。
【００１０】
ところで、燃料電池の水分布状態が目標範囲から外れたとき、または蓄電装置の充電状態が目標範囲から外れた場合、これらを目標範囲にもってくるときの燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配については、上記従来技術は述べていない。
【００１１】
本発明の目的は、燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配を可能とする燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の水分布状態を推定して取得する手段と、蓄電装置の充電状態を取得する手段と、燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する判断手段と、実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置の出力を用いて燃料電池の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる組合せ状態向上手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときであって、判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分であると判断するときに、組合せ状態向上手段は、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときであって、判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が不十分で、燃料電池の水分布状態も不十分であると判断するときに、組合せ状態向上手段は、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、組合せ向上手段は、燃料電池の水分布状態が過大であるときに、掃気用ガスを供給するエアコンプレッサを運転させる掃気手段であることが好ましい。なお、水分布状態が過大とは、燃料電池の出力特性が不十分となるほどに含水量が大きいことを指し、逆に水分布状態が過小とは、燃料電池の出力特性が不十分となるほどに含水量が小さいことを指す。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、組合せ向上手段は、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池の背圧調整弁の開度を調整し、燃料電池の背圧を上げて水分布状態を最適にすることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、組合せ向上手段は、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池用の冷媒循環ポンプの作動を調整し、燃料電池の温度を低下させて水分布状態を最適にすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成により、燃料電池システムは、燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、実際の水分布状態と充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断し、実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置の出力を用いて燃料電池の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる。
【００１９】
燃料電池システムは、蓄電装置を含んで構成されるが、通常の運転状態では、燃料電池が主たる電力供給源である。上記構成によれば、この主たる電力供給源である燃料電池の水分布状態を最適化し、あるいは最適化を維持するように蓄電装置を効果的に用いる。このような燃料電池と蓄電装置の間の出力分配によって、蓄電装置を含む燃料電池システムの全体としての出力を効果的なものとすることができる。
【００２０】
また、燃料電池システムにおいて、車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときであって、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分であると判断するときに、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させる。これによって、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【００２１】
また、燃料電池システムにおいて、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときであって、蓄電装置の充電状態が不十分で、燃料電池の水分布状態も不十分であると判断するときには、蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させる。これによって、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【００２２】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態が過大であるときに、掃気用ガスを供給するエアコンプレッサを運転させる。これによって、燃料電池の水分布状態を適正にして、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【００２３】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池の背圧調整弁の開度を調整し、燃料電池の背圧を上げて水分布状態を最適にする。また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池用の冷媒循環ポンプの作動を調整し、燃料電池の温度を低下させて水分布状態を最適にする。これによって、燃料電池の水分布状態を適正にして、主たる電力供給源である燃料電池の出力を早期に立ち上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体部の構成を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときの燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配の様子を説明する図である。
【図６】図５の場合における分配方法の１つの例を説明する図である。
【図７】図５の場合における分配方法の他の例を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおいて、車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときの燃料電池と蓄電装置の間の効果的な出力分配の様子を説明する図である。
【図９】図８の場合における分配方法の他の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に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。以下では、燃料電池システムの出力が利用される外部負荷として、１台の回転電機を説明するが、勿論複数台の回転電機であっても構わない。また、外部負荷として、回転電機以外の電気機器を含むものとしてよい。
【００２６】
以下で説明する水分布状態の最適範囲、好適範囲、ＳＯＣの最適範囲、好適範囲等は例示であって、具体的には、燃料電池システムの仕様、燃料電池本体部の特性、蓄電装置の特性に応じて変更が可能である。
【００２７】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２８】
図１は、電気自動車に搭載される燃料電池システム１０の構成を説明する図である。燃料電池システム１０は、駆動源として燃料電池３０と蓄電装置１４とを含み、電気自動車の要求出力９２に応じた運転を行い、負荷に必要な電力を供給するシステムである。ここでは、燃料電池システム１０の構成要素ではないが、外部負荷としての回転電機１２が図示されている。
【００２９】
ここで、回転電機１２は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、電力が供給されるときはモータとして機能し、制動時には発電機として機能する３相同期型回転電機である。
【００３０】
燃料電池システム１０は、蓄電装置１４と燃料電池３０と、電源回路１６と、制御装置９０と、記憶装置９４とを含んで構成される。
【００３１】
蓄電装置１４は、充放電可能な高電圧２次電池であって、例えば、燃料電池３０の始動時、あるいは燃料電池３０の出力が負荷の要求電力に不足するとき等に、負荷に電力を供給する機能を有する。なお、負荷とは、車両に搭載されて、電気エネルギで動作するものを指すので、外部負荷である回転電機１２以外にも、インバータ２８、燃料電池３０に含まれる掃気処理や含水処理に用いられる各種補機等の内部負荷を含むものである。
【００３２】
かかる蓄電装置１４としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。なお、蓄電装置１４はいわゆる高電圧バッテリであり、単にバッテリとして述べる場合には、この蓄電装置１４を指すことが多い。したがって、以下では、蓄電装置１４を必要に応じてバッテリまたはＢＡＴと示すものとする。
【００３３】
蓄電装置１４の温度である蓄電装置温度と、充電状態を示すＳＯＣのデータは、適当な信号線によって制御装置９０に伝送される。ＳＯＣは、蓄電装置１４に流れ込む充電電流と、蓄電装置１４から流れ出す放電電流を監視して算出される値を用いることができる。
【００３４】
電源回路１６におけるＢＡＴ電圧変換器２０は、蓄電装置１４と負荷との間に設けられ、蓄電装置１４の端子間電圧と負荷側の電圧との間の電圧変換を行うバッテリ電圧変換器である。ここで、ＢＡＴとはバッテリを意味する。ＢＡＴ電圧変換器２０は、リアクトルとスイッチング素子を含んで構成される。
【００３５】
ＦＣ電圧変換器２４は、燃料電池３０と負荷との間に設けられ、燃料電池３０の端子間電圧と負荷側の電圧との間の電圧変換を行う燃料電池電圧変換器である。ここで、ＦＣとは、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を意味する。ＦＣ電圧変換器２４は、リアクトルとスイッチング素子を含んで構成される。
【００３６】
インバータ２８は、高電圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１２に供給する機能と、逆に回転電機１２からの交流三相回生電力を高電圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。インバータ２８は、スイッチング素子とダイオード等を含む回路で構成することができる。
【００３７】
平滑コンデンサ１８，２２，２６は、それぞれ、蓄電装置１４側、燃料電池３０側、インバータ２８側の電圧、電流の変動を抑制して平滑化する容量素子である。
【００３８】
燃料電池３０は、ＦＣ本体部４０と、掃気処理部３２と、含水処理部３４を含んで構成される。図２は燃料電池３０の構成を説明する図である。ＦＣ本体部４０は、燃料電池スタック４２と、その運転に必要な各種補機を含んで構成される。
【００３９】
燃料電池スタック４２は、燃料電池セルを複数組み合わせて、約２００Ｖから約３００Ｖ程度の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池である。各燃料電池セルは、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。
【００４０】
各種補機は、大別して、燃料ガス供給系４４を構成する補機と、酸化ガス供給系４６を構成する補機と、冷却系４８を構成する補機に分けることができる。
【００４１】
燃料ガス供給系４４は、燃料電池スタック４２に、その運転に必要な燃料ガスを適切な圧力と流量で供給する機能を有するガス供給部である。燃料ガス供給系４４は、高圧水素ガスが充填された燃料ガスタンク５０から、開閉弁５２と、圧力と流量を粗調整する調整弁５４と、適切な圧力と流量に調整する水素供給装置５６を経由して、燃料電池スタック４２の入力ポートに燃料ガスを供給する入口側流路部と、燃料電池スタック４２の中を通って出力ポートから排出される使用済みガスを流す出口側流路部とを含む。
【００４２】
出口側流路には図示されていない気液分離器が設けられ、ここでは、使用済みガスである水蒸気を含むガスについて分離が行われる。出口側流路と入口側流路を結ぶ循環流路に設けられる水素ポンプ５８は、気液分離器で分離された水素ガスを再び入口側流路に戻す循環ポンプである。気液分離器で分離された水分含みの不純物ガスは、適当なタイミングで開閉される開閉弁６４を経由して希釈器６６に送られ、そこで酸化ガス供給系４６からの使用済みガスによって希釈されて外部に排出される。
【００４３】
酸化ガス供給系４６は、燃料電池スタック４２に、その運転に必要な酸化ガスを適切な圧力と流量で供給する機能を有するガス供給部である。酸化ガス供給系４６は、ＡＩＲ６８として示される外気を供給源とし、図示されていない適当なフィルタ、エアコンプレッサであるＡＣＰ７０、加湿装置７４を経由して、燃料電池スタック４２の入力ポートに酸化ガスを供給する入口側流路部と、燃料電池スタック４２の中を通って出力ポートから排出される使用済みガスを流す出口側流路部とを含む。
【００４４】
燃料電池スタック４２には、このように燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである加圧大気がそれぞれ供給される。これらのガスは、電解質膜を介した電気化学反応によって発熱し、反応生成物として水を生成しながら、起電力を発生する。これによって発電が行われ、発電電力が燃料電池３０の出力電力として、ＦＣ電圧変換器２４の側に出力される。
【００４５】
出口側流路に設けられる背圧調整弁７２は、燃料電池スタック４２の中の酸化ガスの圧力を規制して調整する調整弁である。背圧調整弁７２を通ってきた反応生成物である水分混じりの使用済みガスは加湿装置７４に加湿ガスとして入力され、先ほどの入口側流路部を流れてくる酸化ガスを加湿する。加湿を終えて加湿装置７４から出てきた使用済みガスは希釈器６６に送られる。
【００４６】
冷却系４８は、燃料電池スタック４２を電気化学反応に適した運転温度に維持するために冷媒を循環させる機能を有する。冷却系４８は、冷媒循環ポンプ８０と、ラジエータ８２と、ラジエータ８２に向かう冷媒流量を調整するための三方弁８４を含んで構成される。
【００４７】
図２に示されるように、水素ガス入力圧力ＰH、水素ポンプ５８で戻される水素ガス流量ＱH、酸化ガス流量ＱO、背圧調整弁７２で調整された酸化ガス圧力ＰO、冷媒温度θWを検出するために、圧力計６０，７８、流量計６２，７６、温度計８６が設けられる。
【００４８】
掃気処理部３２と含水処理部３４は、燃料電池スタック４２の水分布状態を適正にするために、これらの各種補機の動作を制御する機能を有する制御部である。上記のように、燃料電池３０の発電には、燃料電池スタック４２に含まれる電解質膜が適度な湿度となっていることが必要であるが、燃料電池スタック４２の水分布状態とは、この電解質膜における湿度を示すものである。
【００４９】
水分布状態の値は、燃料電池スタック４２のインピーダンス測定によって求めることができる。例えば、燃料電池スタック４２の出力端子に適当な交流信号を重畳させ、この交流信号によって燃料電池スタック４２のインピーダンスを測定し、水分布状態を示す含水量に対応する値を求めることができる。求められた水分布状態を示す含水量のデータは、適当な信号線で制御装置９０に伝送される。
【００５０】
掃気処理部３２は、燃料電池スタック４２の水分布状態が過大、すなわち燃料電池スタック４２の出力特性が十分でない程度に含水量が大きいときに、燃料電池スタック４２から水分を掃き出すための補機の動作を制御する。例えば、ＡＣＰ７０の回転数等を上昇させ、酸化ガスの供給量を増加させる制御を行う。その際に、加湿装置７４をバイパスする適当な流路を設け、そのバイパス流路を経由して燃料電池スタック４２に乾燥した酸化ガスを大量に流すことが好ましい。このように、ＡＣＰ７０の動作を制御して、酸化ガスの供給流量と供給圧力を高めて掃気処理を行うことができる。
【００５１】
含水処理部３４は、燃料電池スタック４２の水分布状態が過小、すなわち燃料電池スタック４２の出力特性が十分でない程度に含水量が小さいときに、燃料電池スタック４２の含水量を上げるための補機の動作を制御する。例えば、背圧調整弁７２の開度を調整し、燃料電池スタック４２の背圧を上げ、酸化ガスの流れを絞る制御を行う。このように、酸化ガスの流れを十分に絞ることで、加湿装置７４を経由した加湿酸化ガスが燃料電池スタック４２の中に十分に留まることができ、含水量を上げることができる。
【００５２】
また、冷媒循環ポンプ８０の回転数を上げて、燃料電池スタック４２に送り込まれる冷媒流量を増加させる制御を行って含水量を上げることもできる。冷媒流量が増加すれば、燃料電池スタック４２の温度が低下し、燃料電池スタック４２の内部の湿度を上げることができる。
【００５３】
また、水素ポンプ５８の回転数を上げて、燃料ガス供給系４４の出力ポートから入口側流路に戻す水素ガスの量を増やす制御を行う。これによって、アノード側の水素に含まれる水分をカソード側に戻すことができ、燃料電池スタック４２の含水量を高めることができる。
【００５４】
再び図１に戻り、制御装置９０は、図示されていない車両制御装置から指示される要求出力９２に従って、燃料電池システム１０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有する。ここで、要求出力９２は、車両運行に際し、車両に搭載される全ての電気機器に必要な電力を燃料電池システム１０の出力に換算した値である。具体的には、走行用の回転電機１２に必要な電力の他、回転電機１２に接続される電源回路１６に必要な電力、燃料電池３０を構成する各種補機に必要な電力、エアコンディショナ、オーディオ機器、小型モータ、制御回路等に必要な電力を含む。
【００５５】
制御装置９０は、上記の総合的制御機能の他に、特にここでは、燃料電池３０の水分布状態と、蓄電装置１４の充電状態とを考慮して、燃料電池３０と蓄電装置１４の効果的な出力分配を制御する機能を有する。かかる制御装置９０は、車両搭載に適したコンピュータで構成することができる。
【００５６】
制御装置９０は、燃料電池３０の水分布状態を推定して取得する水分布状態推定取得処理部１００と、蓄電装置１４の充電状態を取得する充電状態推定取得処理部１０２と、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する組合せ状態判断処理部１０４と、実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる組合せ状態向上処理部１０６を含んで構成される。
【００５７】
これらの機能はソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、燃料電池システム制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００５８】
制御装置９０に接続される記憶装置９４は、燃料電池システム制御プログラムを記憶する他、ここでは、特に、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲９６を記憶する。かかる記憶装置９４は、適当なメモリを用いることができる。
【００５９】
図３は、好適組合せ範囲９６の一例を示す図である。この例の好適組合せ範囲９６は、横軸に蓄電装置１４の充電状態の値であるＳＯＣ、縦軸に燃料電池３０の水分布状態の値である含水量がとられ、好適範囲が斜線で示されている。なお、好適範囲の中でさらに好適な範囲を最適範囲として、斜線の密度を高くして示した。このように図３はマップであるが、記憶装置９４には、マップ形式の他、含水量とＳＯＣとを入力することで好適範囲であるか否かを示す１または０が出力される形式、好適範囲とそれ以外の領域との境界線を式で表す計算式の形式等で、記憶することができる。
【００６０】
図３において、ＳＯＣの範囲は、Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4の値を境界として、５つに区分される。この中で、Ａ2とＡ3の間の範囲が、従来から蓄電装置１４の推奨動作範囲として示されるＳＯＣの範囲である。そして、その外側のＡ1からＡ2の間、Ａ3からＡ4の間の範囲は、蓄電装置１４の推奨動作範囲ではないが、その範囲で動作させている限りでは、蓄電装置１４の特性が劣化することはない動作可能範囲である。Ａ1以下、Ａ4以上は、蓄電装置１４の特性劣化が生じ得る動作禁止範囲である。
【００６１】
例えば、推奨動作範囲をＳＯＣで４０％から６０％とすると、動作可能範囲は３０％から７０％と設定することができる。なお、この数字は説明のための例示である。
【００６２】
また、含水量の範囲は、Ｂ1，Ｂ2，Ｂ3，Ｂ4の値を境界として、５つに区分される。この中で、Ｂ2とＢ3の間の範囲が、従来から燃料電池３０の推奨動作範囲として示される含水量の範囲である。そして、その外側のＢ1からＢ2の間、Ｂ3からＢ4の間の範囲は、燃料電池３０の推奨動作範囲ではないが、その範囲で動作させている限りでは、燃料電池３０の特性が劣化することはない動作可能範囲である。Ｂ1以下、Ｂ4以上は、燃料電池３０の特性劣化が生じ得る動作禁止範囲である。
【００６３】
含水量の値は、定義あるいは測定方法によって異なるが、例えばある基準で定めた含水率を含水量とすることができる。そのように定めた含水量を用いるとして、例えば、推奨動作範囲を含水量で４０％から６０％とすると、動作可能範囲は３０％から７０％と設定することができる。なお、この数字は説明のための例示である。
【００６４】
従来は、ＳＯＣがＡ2とＡ3の間の範囲で、かつ含水量がＢ2とＢ3の間の範囲が、燃料電池システムの推奨動作範囲１１０とされている。図３では、この推奨動作範囲１１０の外側に、低ＳＯＣ側動作範囲１１２と、高ＳＯＣ側動作範囲１１４を設定している。低ＳＯＣ側動作範囲１１２は、ＳＯＣが低いが、含水量は推奨動作範囲にある領域である。ここでは、蓄電装置１４の出力が不足する分、燃料電池３０の出力で補うことで、要求出力を満たすことが可能である。また、高ＳＯＣ側動作範囲１１４は、ＳＯＣが十分高いが、含水量が推奨動作範囲から外れる領域である。ここでは、燃料電池３０の出力が不足する分、蓄電装置１４の出力で補うことで、要求出力を満たすことが可能である。
【００６５】
このようにして、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態との好適組合せ範囲９６は、従来からの推奨動作範囲１１０の外側に、低ＳＯＣ側動作範囲１１２と、高ＳＯＣ側動作範囲１１４を加えた範囲である。なお、好適範囲の中でさらに好適な範囲である最適範囲は、推奨動作範囲１１０である。この好適範囲の組合せであれば、燃料電池３０の特性劣化も生じることなく、蓄電装置１４の特性劣化も生じることなく、燃料電池３０と蓄電装置１４の出力分配を適切に行うことで、要求出力を満たすことが可能である。
【００６６】
上記構成の作用、特に、制御装置９０の各機能について、図４を用いて説明する。図４は、燃料電池３０と蓄電装置１４の間の効果的な出力分配の手順を示すフローチャートである。各手順は、燃料電池システム制御プログラムの各処理手順に対応する。
【００６７】
通常は、燃料電池システム１０は、推奨動作範囲１１０で動作する通常制御が実行される（Ｓ１０）。そのように動作していても、燃料電池３０の水分布状態と蓄電装置１４の充電状態は時々刻々変化するので、適当な時間間隔で、水分布状態推定値の取得（Ｓ１２）と、充電状態推定値の取得（Ｓ１４）が行われる。これらの処理手順は、制御装置９０の水分布状態推定取得処理部１００と充電状態推定取得処理部１０２の機能によって実行される。具体的には、燃料電池３０から伝送される水分布状態である含水量のデータと、蓄電装置１４から伝送される充電状態であるＳＯＣのデータを取得する。
【００６８】
次に、取得した水分布状態を示す含水量と、取得した充電状態を示すＳＯＣとの組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かについて判断される（Ｓ１６）。この処理手順は、制御装置９０の組合せ状態判断処理部１０４の機能によって実行される。具体的には、記憶装置９４の好適組合せ範囲９６を読み出し、取得された実際の含水量とＳＯＣの組合せが、図４で説明した推奨動作範囲１１０、低ＳＯＣ側動作範囲１１２、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の範囲内であるか否かを決定する。これらの範囲内に、実際の含水量とＳＯＣの組合せがあれば、好適組合せであるとして、Ｓ１０に戻る。
【００６９】
推奨動作範囲１１０、低ＳＯＣ側動作範囲１１２、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の範囲内に、実際の含水量とＳＯＣの組合せがない場合には、組合せ状態向上のための処理が行われる（Ｓ１８）。この処理手順は、制御装置９０の組合せ状態向上処理部１０６の機能によって実行される。具体的には、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる処理が行われる。すでに好適範囲にあるが最適状態でないときは、さらに燃料電池３０の水分布状態を向上させる処理が行われる。Ｓ１８の処理が終了すると、再びＳ１０に戻り、定められた時間間隔で、上記の手順が繰り返される。
【００７０】
組合せ向上処理の例を図５から図９を用いて説明する。図５から図７は、実組合せが、蓄電装置１４の充電状態が不十分で、燃料電池３０の水分布状態も不十分である場合で、低ＳＯＣ側動作範囲１１２近傍の状態のときである。図８と図９は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分である場合で、高ＳＯＣ側動作範囲近傍のときである。
【００７１】
図５は、上記のように、蓄電装置１４の充電状態が不十分で、燃料電池３０の水分布状態も不十分な組合せの場合である。図５には、好適組合せ９６の低ＳＯＣ側動作範囲１１２の部分の拡大図が示されており、動作点１２０が現在の状態である。動作点１２２と動作点１２４は、燃料電池３０と蓄電装置１４の出力分配を行った場合の動作点の移動を示すもので、動作点１２２が図４の手順によるもので、動作点１２４は、比較のために従来技術によるものが示されている。
【００７２】
図５に示されるように、現在の動作点１２０は、低ＳＯＣ側動作範囲１１２よりも外れている。つまり、単独で見ると、燃料電池３０の含水量はＢ2とＢ3の範囲にあって十分な状態であるが、蓄電装置１４の充電状態であるＳＯＣが不足する。これを好適組合せ９６と比較すると、動作点１２０は好適組合せ９６の外にあり、ユーザとしては要求出力９２を出しても思うようには出力が出ないことになる。このような場合の例として、車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池３０が運転停止状態から運転再開状態に移行するときがあげられる。
【００７３】
車両が最大出力状態の例として、アクセルをいっぱいに踏み込まれるＷＯＴ（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）の場合には、その要求出力９２に対して、燃料電池３０の出力で不足する分は蓄電装置１４の出力で補うことになる。そのときに蓄電装置１４のＳＯＣがＡ2以下であると、燃料電池３０の含水量がＢ2とＢ3の間にあっても、燃料電池システム１０の全体の出力としては、要求出力９２を満たせないことが生じ得る。
【００７４】
燃料電池３０が運転停止状態から運転再開状態に移行するときの例として、燃料電池３０の間欠運転明けといわれる場合には、燃料電池３０の運転停止状態が続いていたので、その含水量がＢ2近傍またはＢ3近傍のことがあり得る。
【００７５】
これらの場合には、燃料電池システム１０の全体の出力状態から見ると、蓄電装置１４の充電状態が不十分で、燃料電池３０の水分布状態も不十分な組合せとなる。つまり、好適組合せ９６と比較すると、含水量とＳＯＣの組合せで示される動作点１２０が、低ＳＯＣ側動作範囲１１２の外にあることになる。
【００７６】
従来技術では、燃料電池３０の含水量がＢ2からＢ3の間にあるので、そのまま燃料電池３０の運転を続けることがあり得る。そのようなときには、燃料電池３０の含水量がＢ2からＢ3の中間に次第に向かうが、蓄電装置１４のＳＯＣが補機等に費やされると、どんどん低下し、低ＳＯＣ側動作範囲１１２になかなか到達しない。動作点１２４はそのような従来技術の状態を表している。
【００７７】
図４の手順によると、Ｓ１８において、組合せ状態向上のための処理が行われる。ここでは、上記のように、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを示す動作点１２０を、好適組合せ範囲１１２の中の動作点１２２に移動させる処理が行われる。つまり、ここでは、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に使って、燃料電池３０の掃気処理を行う。掃気処理は、掃気処理部３２の機能によって実行され、上記のように、ＡＣＰ７０の回転数を上げる。動作点１２２になれば、ここでは好適組合せ０６の範囲内であるので、要求出力９２通りの出力を出すことが可能になり、ユーザにとって思い通りの出力が得られて、ドライバビリティが向上する。
【００７８】
掃気処理を直接的に蓄電装置１４の出力を用いて行ってもよいが、蓄電装置１４で要求出力９２を分担している間に掃気処理を行うものとしてもよい。図６と図７は、そのような処理の具体的な２つの例を示す図である。
【００７９】
図６は、燃料電池３０の出力レベルを下げ、不足する分を蓄電装置１４で補うものである。図６でＦＣとあるのが燃料電池３０の出力で、ＢＡＴとあるのが蓄電装置１４の出力である。このようにして燃料電池３０の出力レベルを下げて、電気化学反応による水の生成よりも排水の方が多くなるようにして、実質的に燃料電池３０の掃気処理を行う。ここでは、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に、要求出力９２の不足分に有効に使い、その間に、燃料電池３０の掃気処理が行われ、動作点が好適組合せ９６の中に移動させる事が行われる。
【００８０】
図７は、燃料電池３０が出力される前に、掃気処理を行い、その間は、蓄電装置１４の出力のみで要求出力９２をまかなうものである。ここでは、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に、要求出力９２の全部をまかなうように有効に使い、その間に、燃料電池３０の掃気処理が行われ、動作点が好適組合せ９６の中に移動させる事が行われる。
【００８１】
なお、図５では、低ＳＯＣ側動作範囲１１２の含水量が大きい側の境界線１１１よりも含水量が大きい方に、動作点１２０がある場合を説明し、そのときには蓄電装置１４の出力を早めに集中的に使って、燃料電池３０の掃気処理を行うものとした。これとは逆に、低ＳＯＣ側動作範囲１１２の含水量が小さい側の境界線よりも含水量が小さい方に、動作点１２０がある場合には、蓄電装置１４の出力を早めに集中的に使って、燃料電池３０の含水処理を行うものとできる。含水処理は、含水処理部３４の機能によって実行され、例えば、背圧調整弁７２の開度を調整し、あるいは冷媒循環ポンプの作動を調整する。
【００８２】
次に、図８は、上記のように、蓄電装置１４の充電状態が良好で、燃料電池３０の水分布状態が不十分である場合である。図８には、好適組合せ９６の高ＳＯＣ側動作範囲１１４の部分の拡大図が示されており、動作点１３０が現在の状態である。動作点１３２，１３４と動作点１４０は、燃料電池３０と蓄電装置１４の出力分配を行った場合の動作点の移動を示すもので、動作点１３２，１３４が図４の手順によるもので、動作点１４０は、比較のために従来技術によるものが示されている。
【００８３】
図８に示されるように、現在の動作点１２０は、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の中にあるが、単独で見ると、燃料電池３０の含水量はＢ3を超えていて推奨動作範囲である最適範囲になく、蓄電装置１４の充電状態であるＳＯＣは十分あるが、これも推奨動作範囲である最適範囲にない。これを好適組合せ９６と比較すると、動作点１２０は好適組合せ９６の中にあるが、最適組合せである推奨動作範囲１１０を外れていて、燃料電池３０の運転効率が必ずしも最良状態ではない。ユーザから見ると、要求出力９２を出しても必ずしも思うようには出力が出ないことがあり得る。このような場合の例としては、車両が始動時、または、蓄電装置１４の出力で走行するバッテリ走行のときがあげられる。
【００８４】
車両が始動時には、それ以前に燃料電池３０によって蓄電装置１４が十分に充電され、ＳＯＣがＡ3を超えていることがある。そして、車両の始動時には車速が低速であるので、燃料電池３０で駆動するよりも蓄電装置１４の出力で駆動したほうが燃料電池システム１０の全体として効率がよいことが知られている。したがって、燃料電池３０は運転していないので、含水量がＢ2とＢ3の間である最適範囲を超えていることがある。このような場合には、車両を始動できるが、燃料電池３０の含水量としてはさらに向上させる余地がある。
【００８５】
始動時からのように蓄電装置１４による走行であるバッテリ走行から、燃料電池３０による走行であるＦＣ走行に移る場合も同様で、蓄電装置１４のＳＯＣは十分であるが、燃料電池３０の含水量としてはさらに向上させる余地がある。
【００８６】
これらの場合には、燃料電池システム１０の全体の出力状態から見ると、蓄電装置１４の充電状態が十分で、燃料電池３０の水分布状態が不十分な組合せとなる。つまり、好適組合せ９６と比較すると、含水量とＳＯＣの組合せで示される動作点１２０が好適範囲である高ＳＯＣ側動作範囲１１４の中にあるが、燃料電池３０の含水量は最適範囲の外にあることになる。
【００８７】
従来技術では、燃料電池３０を運転せずに、蓄電装置１４の出力だけで走行を続けることがあり得る。そのようなときには、蓄電装置１４のＳＯＣはどんどん低下するが、燃料電池３０の含水量はそのままであるので、図８の拡大図に示されるように、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の含水量が高い側の境界線１１３を超えて、好適組合せ範囲９６である高ＳＯＣ側動作範囲１１４を外れてしまうことが生じる。このようになると、ユーザが要求出力９２を出しても、思うように出力が出ないことになる。
【００８８】
図４の手順によると、Ｓ１８において、組合せ状態向上のための処理が行われる。すなわち、動作点が好適組合せ範囲９６である高ＳＯＣ側動作範囲１１４の範囲を維持するように、燃料電池３０の含水量を最適範囲に移すことが行われる。ここでは、上記のように、蓄電装置１４の出力を用いて燃料電池３０の水分布状態を向上させ、実組合せを示す動作点１２０を、好適組合せ範囲１１２の中に維持し、燃料電池３０の含水量を最適範囲に移動させる処理が行われる。つまり、ここでは、蓄電装置１４の出力を用いて、燃料電池３０の掃気処理を行う。掃気処理は、掃気処理部３２の機能によって実行され、上記のように、ＡＣＰ７０の回転数を上げる。
【００８９】
図８では、最初に燃料電池３０を動作させずに、蓄電装置１４のみで出力をまかなう処理が行われる。したがって、燃料電池３０の含水量はそのままとして、蓄電装置１４のＳＯＣが低下する。そして、組合せ状態が境界線１１３のごく手前、あるいは境界線１１３上の動作点１３２となると掃気処理を行い、燃料電池３０の含水量を下げ、組合せ状態を境界線１１３に平行に移動させる。掃気処理は蓄電装置１４の出力のみを用いて行ってもよく、燃料電池３０の出力と蓄電装置１４の出力を分配するものとしてもよい。動作点１３４は、そのような分配処理が行われた状態を示している。このような出力分配処理を行うことで、組合せ状態が好適組合せ範囲の中にあることを維持し、燃料電池３０の含水量をより好適なものとして、最適範囲に近づけることができる。
【００９０】
図９は別の出力分配の例を示す図で、ここでは、最初の動作点１３０から、組合せ状態が境界線１１３に平行に移動するように掃気処理を行う。掃気処理は蓄電装置１４の出力のみを用いて行ってもよく、燃料電池３０の出力と蓄電装置１４の出力を分配するものとしてもよい。動作点１３６は、そのような分配処理が行われた状態を示している。このような出力分配処理を行うことで、組合せ状態が好適組合せ範囲の中にあることを維持し、燃料電池３０の含水量をより好適なものとして、最適範囲に近づけることができる。
【００９１】
なお、図８では、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の含水量が大きい側の境界線１１３の近傍に、動作点１２０がある場合を説明し、燃料電池３０の掃気処理を行うものとした。これとは逆に、高ＳＯＣ側動作範囲１１４の含水量が小さい側の境界線の近傍に動作点１３０がある場合には、燃料電池３０の含水処理を行うものとできる。含水処理は、含水処理部３４の機能によって実行され、例えば、背圧調整弁７２の開度を調整し、あるいは冷媒循環ポンプの作動を調整する。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載される燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 燃料電池システム、１２ 回転電機、１４ 蓄電装置、１６ 電源回路、１８，２２，２６ 平滑コンデンサ、２０ ＢＡＴ電圧変換器、２４ ＦＣ電圧変換器、２８ インバータ、３０ 燃料電池、３２ 掃気処理部、３４ 含水処理部、４０ ＦＣ本体部、４２ 燃料電池スタック、４４ 燃料ガス供給系、４６ 酸化ガス供給系、４８ 冷却系、５０ 燃料ガスタンク、５２，６４ 開閉弁、５４ 調整弁、５６ 水素供給装置、５８ 水素ポンプ、６０，７８ 圧力計、６２，７６ 流量計、６６ 希釈器、７２ 背圧調整弁、７４ 加湿装置、８０ 冷媒循環ポンプ、８２ ラジエータ、８４ 三方弁、８６ 温度計、９０ 制御装置、９２ 要求出力、９４ 記憶装置、９６ 好適組合せ範囲、１００ 水分布状態推定取得処理部、１０２ 充電状態推定取得処理部、１０４ 状態判断処理部、１０６ 状態向上処理部、１１０ 推奨動作範囲、１１１，１１３ 境界線、１１２ 低ＳＯＣ側動作範囲、１１４ 高ＳＯＣ側動作範囲、１２０，１２２，１２４，１３０，１３２，１３４，１３６，１４０ 動作点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水分布状態を推定して取得する手段と、
蓄電装置の充電状態を取得する手段と、
燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する判断手段と、
実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置の出力を用いて燃料電池の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる組合せ状態向上手段と、
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に記載の燃料電池システムにおいて、
車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときであって、
判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分であると判断するときに、
組合せ状態向上手段は、
蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させ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に記載の燃料電池システムにおいて、
車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときであって、
判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が不十分で、燃料電池の水分布状態も不十分であると判断するときに、
組合せ状態向上手段は、
蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させ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に記載の燃料電池システムにおいて、
組合せ向上手段は、
燃料電池の水分布状態が過大であるときに、掃気用ガスを供給するエアコンプレッサを運転させる掃気手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の車両用燃料電池システムにおいて、
組合せ向上手段は、
燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池の背圧調整弁の開度を調整し、燃料電池の背圧を上げて水分布状態を最適にすることを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の車両用燃料電池システムにおいて、
組合せ向上手段は、
燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池用の冷媒循環ポンプの作動を調整し、燃料電池の温度を低下させて水分布状態を最適にすることを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池の水分布状態を推定して取得する手段と、
蓄電装置の充電状態を取得する手段と、
燃料電池の水分布状態と蓄電装置の充電状態の組合せが車両の要求出力に対し好適状態にある組合せ範囲である好適組合せ範囲を予め定めた基準に従って設定し、取得した水分布状態と取得した充電状態との組合せである実組合せが好適組合せ範囲内か否かを判断する判断手段と、
実組合せが好適組合せ範囲にないとき、蓄電装置の出力を用いて燃料電池の水分布状態を向上させ、実組合せを好適組合せ範囲に移動させる組合せ状態向上手段と、
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に記載の燃料電池システムにおいて、
車両が始動時、または、蓄電装置の出力で走行するバッテリ走行のときであって、
判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が良好で、燃料電池の水分布状態が不十分であると判断するときに、
組合せ状態向上手段は、
蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させ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に記載の燃料電池システムにおいて、
車両が最大出力状態のとき、または、燃料電池が運転停止状態から運転再開状態に移行するときであって、
判断手段は、実組合せが、蓄電装置の充電状態が不十分で、燃料電池の水分布状態も不十分であると判断するときに、
組合せ状態向上手段は、
蓄電装置の出力を用いて、燃料電池の水分布状態を向上させ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に記載の燃料電池システムにおいて、
組合せ向上手段は、
燃料電池の水分布状態が過大であるときに、掃気用ガスを供給するエアコンプレッサを運転させる掃気手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の車両用燃料電池システムにおいて、
組合せ向上手段は、
燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池の背圧調整弁の開度を調整し、燃料電池の背圧を上げて水分布状態を最適にすることを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の車両用燃料電池システムにおいて、
組合せ向上手段は、
燃料電池の水分布状態が過小であるときに、燃料電池用の冷媒循環ポンプの作動を調整し、燃料電池の温度を低下させて水分布状態を最適にすることを特徴とする車両用燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４３４７７（Ｐ２０１１−２４３４７７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６０１５（Ｐ２０１０−１１６０１５）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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