特開 2024-163867 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024163867

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241115BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20241115BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241115BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20241115BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20241115BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241115BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/0432

H01M8/04746

H01M8/04701

H01M8/04858

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024075919

(22)【出願日】2024-05-08

(31)【優先権主張番号】202310539898.9

(32)【優先日】2023-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003683

【氏名又は名称】弁理士法人桐朋

(72)【発明者】

【氏名】田村 卓也

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127AC09

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA58

5H127BA60

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB34

5H127BB37

5H127CC01

5H127CC11

5H127DB74

5H127DC22

5H127DC45

5H127DC79

5H127DC80

5H127FF07

5H127FF13

(57)【要約】      （修正有）

【課題】燃料電池車両が長い下り坂を降坂中で回生電力を発生している場合にも、回生電力を適切に消費させ、また燃料電池の凍結が防止できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、モータ４６に駆動力を発生させる電力を燃料電池スタック１８又は蓄電装置４４から供給する。モータ４６に発生した回生電力を蓄電装置４４に充電し得ない場合に、まず、ヒータ８２単独で消費させる。次に、ヒータ８２で消費させつつヒータ８２の廃熱を燃料電池スタック１８で回収して燃料電池スタック１８を温める。燃料電池スタック１８の温度が第１閾値温度Ｔｈ１まで上昇したときに、エアポンプ２８単独で消費させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスとエアポンプから供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を制御する熱媒体を、前記燃料電池に供給する燃料電池用熱媒体供給装置と、
前記燃料電池の温度を制御する前記熱媒体の温度を検出する燃料電池用熱媒体温度センサと、
前記熱媒体を分岐させてヒータに供給するヒータ用熱媒体供給装置と、
前記ヒータの温度を制御する熱媒体の温度を検出するヒータ用熱媒体温度センサと、
前記燃料電池用熱媒体供給装置を通流する熱媒体と前記ヒータ用熱媒体供給装置を通流する熱媒体を連通又は遮断する切替弁と、を備え、
蓄電装置と前記燃料電池の少なくともいずれから、前記エアポンプ、前記燃料電池用熱媒体供給装置及び前記ヒータ用熱媒体供給装置に補機用電力を供給すると共に、モータに駆動力を発生させる駆動用電力を供給する燃料電池システムであって、
前記モータに発生した回生電力を前記蓄電装置に充電し得ない場合に、燃料電池用熱媒体温度が第１閾値温度未満であって、且つヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた温度差が閾値温度差以上となったとき、前記切替弁を連通状態に切り替えて、前記燃料電池用熱媒体温度を上昇させ、
前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度以上の温度となったとき、前記切替弁を遮断状態に切り替えて、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる電力消費制御を行う
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、
前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度未満であるときには、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる前記電力消費制御を行わない
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、
前記モータに発生した前記回生電力を前記蓄電装置に充電し得ない場合に、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度未満であって、且つ前記ヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた前記温度差が前記閾値温度差未満であるとき、前記切替弁を遮断状態として前記回生電力を前記ヒータに供給して消費させる第１電力消費制御を行う
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記回生電力を前記ヒータに供給して消費させる前記第１電力消費制御中に、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度未満であって、且つ前記ヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた前記温度差が前記閾値温度差以上となったとき、前記切替弁を連通状態に切り替え、前記回生電力を前記ヒータに供給して消費させつつ、前記燃料電池用熱媒体温度を上昇させ、前記ヒータの廃熱を前記燃料電池で回収し、前記燃料電池を温める第２電力消費制御を行う
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記切替弁の連通状態時に、前記切替弁の弁開度を全開状態と閉状態との間の中間開度で調整する
燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度以上の温度となったとき、前記切替弁を遮断状態に切り替えて、前記ヒータによる電力消費を止め、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる第３電力消費制御を行う
燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記モータに前記回生電力が発生する場合は、前記燃料電池システムの降坂時に前記モータによる制動力が発生している場合である
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池の電力等によりモータを駆動する燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池（ＦＣ）に関する研究開発が行われている。

【0003】

例えば、特開２０１９－１４０８５４号公報には、燃料電池車両のモータの回生電力が余剰電力となった場合に、余剰の回生電力を空調回路の加熱部（ヒータ）で消費する技術（第１技術という）が開示されている（前記公報の［００２４］）。

【0004】

また、前記公報に開示された燃料電池車両では、前記回生電力を消費中に、前記加熱部を通流する熱媒体の温度が上限温度に達した場合、前記熱媒体を前記空調回路と燃料電池との間で循環させる技術（第２技術という）が開示されている（前記公報の［００２５］）。

【0005】

さらに、前記公報に開示された燃料電池車両では、他の実施例として、前記回生電力を消費中に、前記加熱部を通流する熱媒体の温度が上限温度に達した場合であっても、燃料電池の温度が上限温度に達していない場合には、前記熱媒体を前記空調回路と燃料電池との間で循環させる技術（第３技術という）が開示されている（前記公報の［００２９］）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１９－１４０８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、前記公報に開示された燃料電池車両では、前記第１技術及び第２技術での制御中に、燃料電池の温度を考慮していないので、燃料電池の温度を的確に制御できないという課題がある。

【0008】

従って、燃料電池車両が長い下り坂を降坂中で回生電力を発生している場合には、燃料電池システムが凍結するという課題がある。

【0009】

また、前記公報に開示された燃料電池システムでは、前記第３技術が適用できないときには、処理を終了してしまうので、回生電力を消費することができないという課題がある。
この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の一態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスとエアポンプから供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を制御する熱媒体を、前記燃料電池に供給する燃料電池用熱媒体供給装置と、前記燃料電池の温度を制御する前記熱媒体の温度を検出する燃料電池用熱媒体温度センサと、前記熱媒体を分岐させてヒータに供給するヒータ用熱媒体供給装置と、前記ヒータの温度を制御する熱媒体の温度を検出するヒータ用熱媒体温度センサと、前記燃料電池用熱媒体供給装置を通流する熱媒体と前記ヒータ用熱媒体供給装置を通流する熱媒体を連通又は遮断する切替弁と、を備え、蓄電装置と前記燃料電池の少なくともいずれから、前記エアポンプ、前記燃料電池用熱媒体供給装置及び前記ヒータ用熱媒体供給装置に補機用電力を供給すると共に、モータに駆動力を発生させる駆動用電力を供給する燃料電池システムであって、前記モータに発生した回生電力を前記蓄電装置に充電し得ない場合に、燃料電池用熱媒体温度が第１閾値温度未満であって、且つヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた温度差が閾値温度差以上となったとき、前記切替弁を連通状態に切り替えて、前記燃料電池用熱媒体温度を上昇させ、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度以上の温度となったとき、前記切替弁を遮断状態に切り替えて、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる電力消費制御を行う。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、モータに回生電力が発生した場合であって、該回生電力を蓄電装置に充電し得ない場合に、ヒータ単独、ヒータ・燃料電池連携及びエアポンプ単独の順で回生電力を消費させるようにしたので、燃料電池システムを凍結させることなく、回生電力を的確に消費させることができる。

【0012】

回生電力が発生している場合には、燃料電池による発電がアイドル状態とされ、スタック温度が低い。スタック温度が低いときに、回生電力によりエアポンプを高速に回転させる（通常回転させる）と、燃料電池システムが凍結する可能性がある。これに対して、この発明では、エアポンプ単独で回生電力を消費する前に、ヒータ単独で回生電力を消費する期間及びヒータ・燃料電池連携により回生電力を消費する期間を設けることで、燃料電池の温度を的確に制御でき、且つ回生電力を確実に消費することができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池自動車の概略構成図である。

【図2】図２は、図１に示す制御装置中の回生電力消費制御部の詳細構成を含む回生電力消費システムのブロック図である。

【図3】図３は、前記燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。

【図4】図４は、燃料電池スタックの電流・電圧特性の説明図である。

【図5】図５Ａは、切替弁が遮断状態である場合の熱媒体の流れを示す説明図である。図５Ｂは、切替弁が連通状態である場合の熱媒体の流れを示す説明図である。

【図6】図６は、回生電力の電力消費制御の説明表である。

【図7】図７は、回生電力の電力消費説明に供される一例のタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

［実施形態］
［構成］
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システム１０が組み込まれた燃料電池自動車１２の概略構成図である。

【0015】

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車１２以外の船舶、航空機等の飛行体、ロボット等の他の移動体にも組み込み可能である。

【0016】

燃料電池自動車１２は、燃料電池システム１０と、該燃料電池システム１０に電気的に接続される出力部１６と、該燃料電池自動車１２全体（燃料電池システム１０及び出力部１６を含む）を制御する制御装置１５と、から構成される。

【0017】

制御装置１５は、一つではなく、例えば、燃料電池システム１０用と出力部１６用等、二つ以上の制御装置に分けてもよい。

【0018】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（ＦＣスタック、単に、燃料電池（ＦＣ）ともいう）１８と、燃料タンク（水素タンク、燃料ガスタンク）２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、燃料電池用熱媒体供給装置２６と、ヒータ用熱媒体供給装置２７とから構成される。
酸化剤ガス供給装置２２には、エアポンプ（ＡＰ）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。

【0019】

燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。

【0020】

燃料電池用熱媒体供給装置２６には、熱媒体ポンプ（ＷＰ）３８、サーモ弁３７及びラジエータ３９が含まれる。

【0021】

ヒータ用熱媒体供給装置２７には、熱媒体ポンプ８１、ヒータ８２、ヒータコア８４、３方弁である切替弁８５及びこれらを連通する熱媒体の流路１４３、１４４、１４６、１４８並びに温度センサ８３が含まれる。ヒータ用熱媒体供給装置２７は、エアコンディショナの一部として構成されている。
出力部１６には、電圧変換部４２、蓄電部４３及びモータ（電動機）４６が含まれる。

【0022】

電圧変換部４２には、インバータ４５と、昇圧コンバータ（ＳＵＣ）であるＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、昇降圧コンバータ（ＳＵＤＣ）であるＤＣ／ＤＣコンバータ４１とが含まれる。

【0023】

蓄電部４３には、高電圧Ｖｂｈ［Ｖ］の蓄電装置（高圧バッテリ、ＨＶ ＢＡＴ）４４、降圧コンバータ（ＳＤＣ）であるＤＣ／ＤＣコンバータ４７、及び低電圧Ｖｂｌ［Ｖ］の蓄電装置（低圧バッテリ、ＬＶ ＢＡＴ）４８が含まれる。

【0024】

燃料電池スタック１８に接続された電圧変換部４２及び高電圧Ｖｂｈの蓄電装置４４を備える蓄電部４３の負荷には、主機であるモータ４６と、高電圧Ｖｂｈの蓄電装置４４から電力が供給される高電圧補機であるエアポンプ２８と、低電圧補機（例えば、前記エアコンディショナ及びそれぞれ後述する、各種センサ、各種電磁弁、インジェクタ３２及び熱媒体ポンプ３８等）と、が含まれる。前記低電圧補機には、低電圧Ｖｂｌを発生する蓄電装置４８から電力が供給される。

【0025】

ヒータ８２は、電圧変換部４２から回生電力に係わる高電圧Ｖｉｎｖが印加可能に構成されている。また、ヒータ８２は、図示はしないが、暖房の際に、高電圧Ｖｂｈが印加され、電力消費（発熱）可能に構成されている。ヒータ８２には、高電圧Ｖｉｎｖに代替して、回生電力をＤＣ／ＤＣコンバータ４１により降圧した高電圧Ｖｂｈを印加するようにしてもよい。

【0026】

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、燃料電池スタック１８からの直流電圧の発電電圧である出力電圧Ｖｆｃを昇圧変換し、インバータ４５の直流端及びＤＣ／ＤＣコンバータ４１に駆動用の高電圧を印加する。

【0027】

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、前記駆動用の高電圧を、蓄電装置４４のバッテリ電圧である高電圧Ｖｂｈに降圧し、高電圧Ｖｂｈの蓄電装置４４を充電する。

【0028】

ＤＣ／ＤＣコンバータ４７は、高電圧Ｖｂｈを低電圧Ｖｂｌに降圧し、低電圧Ｖｂｌの蓄電装置４８を充電する。

【0029】

インバータ４５の直流端には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１により高電圧Ｖｂｈが昇圧変換された高電圧Ｖｉｎｖ及び／又はＤＣ／ＤＣコンバータ４０により出力電圧Ｖｆｃが昇圧変換された高電圧Ｖｉｎｖが駆動電圧として印加される。

【0030】

インバータ４５は、直流の前記高電圧Ｖｉｎｖを３相交流に変換してモータ４６を駆動する。
燃料電池自動車１２は、モータ４６が発生する駆動力により走行する。

【0031】

インバータ４５は、モータ４６の回生電圧を直流の高電圧Ｖｉｎｖに変換する。この直流の高電圧Ｖｉｎｖは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１により高電圧Ｖｂｈに降圧される。高電圧Ｖｂｈは蓄電装置４４に印加されて蓄電装置４４を充電する。

【0032】

なお、蓄電装置４４のＳＯＣ（充電状態）が満充電状態の満充電閾値ＳＯＣｔｈを上回る場合には、高電圧Ｖｉｎｖの回生電圧（回生電力）は、ヒータ８２又はエアポンプ２８により電力消費（いわゆる廃電）がなされる。蓄電装置４４のＳＯＣは、ＳＯＣセンサ４９により検出され、制御装置１５で取得される。

【0033】

燃料電池スタック１８は、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、該電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。

【0034】

電解質膜・電極構造体５２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５５と、前記固体高分子電解質膜５５を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５７とを備える。

【0035】

カソード電極５６及びアノード電極５７は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。ガス拡散層の表面に、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５５の両面に形成される。

【0036】

一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通し、カソード電極５６に沿うカソード流路（酸化剤ガス流路）５８が形成される。

【0037】

他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通し、アノード電極５７に沿うアノード流路（燃料ガス流路）５９が形成される。

【0038】

正極端子１０８及び負極端子１０６とＤＣ／ＤＣコンバータ４０とを接続する配線の間には、燃料電池スタック１８の出力電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ１１０が設けられる。さらに、正極端子１０８とＤＣ／ＤＣコンバータ４０とを接続する配線には、発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサ１１２が設けられる。

【0039】

電圧センサ１１０と電流センサ１１２とにより、発電状態として発電電力を検出する発電状態取得部１１５が形成される。電圧センサ１１０は、発電セル５０毎、あるいは複数の発電セル５０毎に設けてもよい。

【0040】

エアポンプ２８は、高電圧の蓄電装置４４の高電圧Ｖｂｈが印加されるエアポンプ用インバータ（不図示）及び該エアポンプ用インバータの３相交流出力により制御されるエアポンプ用モータ（不図示）により駆動される機械式の過給器等で構成される。

【0041】

エアポンプ２８は、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に供給する等の機能を有する。

【0042】

加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、エアポンプ２８により圧縮され高温化されて乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から酸化剤オフガス出口９２を介して排出される排出ガスである酸化剤オフガスが流通する。

【0043】

加湿器３０は、エアポンプ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、前記酸化剤オフガス中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを、酸化剤ガス入口９１を通じて燃料電池スタック１８に供給する。

【0044】

外気取入口１１３から酸化剤ガス入口９１までの酸化剤ガス供給流路６２（酸化剤ガス供給流路６２Ａ、６２Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順にエアフローセンサ（ＡＦＳ：流量センサ）１１６、エアポンプ２８、入口側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられている。なお、二重線で描いている酸化剤ガス供給流路６２等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。

【0045】

入口側封止弁１１８は、弁開度が制御装置１５により可変制御可能であり、酸化剤ガス供給流路６２を開閉する。

【0046】

酸化剤オフガス出口９２に連通する酸化剤オフガス排出流路６３には、酸化剤オフガス出口９２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する出口側封止弁１２０が設けられている。出口側封止弁１２０は、弁開度が制御装置１５により可変制御可能であり、出口側封止弁１２０は、酸化剤オフガス排出流路６３を開閉する。

【0047】

入口側封止弁１１８の吸入口と出口側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤ガス供給流路６２と酸化剤オフガス排出流路６３とを連通するバイパス流路６６が設けられている。バイパス流路６６には、バイパス流路６６を開閉するバイパス弁１２２が設けられている。

【0048】

バイパス弁１２２の弁開度は、制御装置１５により可変制御可能である。バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。
バイパス流路６６と酸化剤オフガス排出流路６３との合流路は、排出流路６４に連通している。

【0049】

燃料タンク２０は、電磁作動式の水素遮断弁２１を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。

【0050】

燃料タンク２０から吐出される燃料ガス（水素）は、燃料ガス供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料電池スタック１８の燃料ガス入口９３及び燃料ガス入口連通口１０３を介してアノード流路５９の入口に供給される。

【0051】

この場合、燃料ガス供給流路７２には、該燃料ガス供給流路７２内の燃料ガスのガス圧力（アノード圧力）Ｐａを検出（測定）する圧力センサ７３が設けられる。

【0052】

アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４、燃料オフガス出口９４及び燃料オフガスの燃料オフガス排出流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通され、該気液分離器３６にアノード流路５９から水素含有ガスである前記燃料オフガスが供給される。

【0053】

実際上、アノード流路５９には、燃料電池スタック１８の発電により生成された水の一部が、カソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２を逆拡散（透過）して移動してくる。
この逆拡散水を燃料オフガス排出流路７４あるいは循環流路７７から適切に排水できない場合、燃料電池スタック１８のアノード電極５７に水が浸入してアノード流路（燃料ガス流路）５９を塞いでしまい、燃料電池スタック１８の発電安定性の悪化を引き起こす。

【0054】

この不都合を防止するために、水を一時的に貯留する気液分離器３６は、前記燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。

【0055】

燃料オフガスの気体成分（燃料オフガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される。

【0056】

逆拡散水からなる、燃料オフガスの液体成分（液水）は、気液分離器３６の液体排出口１６０からドレイン弁１６４が設けられたドレイン流路１６２を通じ、排出流路６４から排出される排出ガスと混合され排出流路９９及び排ガス排気口１６８を通じて外気に排出される。

【0057】

ドレイン流路１６２には、前記液水と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。また、ドレイン流路１６２には、前記液水の排出完了後には、燃料オフガス（水素含有ガス）のみが排出される。

【0058】

燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、エアポンプ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６６を通じて、排出流路６４に供給されている。

【0059】

ドレイン流路１６２から水が抜けた後も、ドレイン弁１６４を開け続けた場合、水素を無駄に捨ててしまうことになる。水素を無駄に捨ててしまうことを回避するために、気液分離器３６から水が排水された後は、ドレイン弁１６４を適切に閉弁する必要がある。

【0060】

酸化剤オフガス排出流路６３に流通する酸化剤オフガス（反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）に酸化剤ガスのバイパス流路６６を通じて供給された酸化剤ガスが混合されて、排出流路６４に流通する。

【0061】

排出流路６４は、ドレイン流路１６２に連通し、合流して排出流路９９に連通する。
排出流路９９では、排出流路６４からの酸化剤オフガスにより、ドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスとの混合流体中の燃料ガスが希釈され、排ガス排気口１６８を通じて燃料電池自動車１２の外部（大気）に排出される。

【0062】

燃料電池システム１０の燃料電池用熱媒体供給装置２６は、燃料電池スタック１８内の熱媒体流路６０に熱媒体（クーラント）を流通させる燃料電池用熱媒体流路１３８を有する。燃料電池用熱媒体流路１３８は、熱媒体流路６０の他に、熱媒体排出流路１３４、熱媒体供給流路１３５、熱媒体バイパス流路１３６、熱媒体排出流路１３７、サーモ弁３７、熱媒体供給流路１３９、１４０、１４１及び熱媒体ポンプ３８により構成される。

【0063】

熱媒体供給流路１３５の出口側と熱媒体排出流路１３７の入口側との間には、熱媒体を冷却するラジエータ３９が接続される。

【0064】

ラジエータ３９は熱媒体を冷却する。熱媒体ポンプ３８は、前記燃料電池用熱媒体流路１３８内で熱媒体を循環させる。

【0065】

熱媒体排出流路１３４に温度センサ７６が設けられる。熱媒体供給流路１４１にも温度センサ７９が設けられる。この実施形態において、温度センサ７９は、燃料電池用熱媒体温度センサ７９という。

【0066】

サーモ弁３７は、熱媒体バイパス流路１３６に流れる熱媒体が所定温度以上になると、熱媒体バイパス流路１３６を遮断状態にするように切り替えられ、熱媒体がラジエータ３９により廃熱される。また、サーモ弁３７は、熱媒体バイパス流路１３６内の熱媒体の温度が所定温度未満の場合には、熱媒体バイパス流路１３６が連通状態になるように切り替えられ、熱媒体排出流路１３４に流れる熱媒体をラジエータ３９により冷却しない。

【0067】

以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置１５によって統括制御される。
なお、入口側封止弁１１８、出口側封止弁１２０、ドレイン弁１６４及び切替弁８５は、制御装置１５により弁開度が制御される流量調整弁であるが、電磁制御式の開閉弁を用いデューティ制御してもよい。

【0068】

制御装置１５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。ＥＣＵは、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶された図示しないプログラム（コンピュータ実行可能な指令）を実行する。

【0069】

制御装置１５の前記プロセッサは、前記プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池自動車１２及び燃料電池システム１０の運転制御を行う。
また、制御装置１５は、前記プログラムを実行することで、回生電力消費（廃電）制御部２００として機能する。

【0070】

制御装置１５には、燃料電池自動車１２の電源スイッチ（電源ＳＷ）７１が接続されている。電源スイッチ７１は、ユーザにより操作され、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１８の発電運転を開始乃至継続（ＯＮ）させるか終了（ＯＦＦ）させる。

【0071】

制御装置１５には、また、それぞれ図示しないアクセル開度センサ、車速センサが接続される。電源ＳＷ７１は、不図示のタイマ（計時器）を利用して、燃料電池システム１０のいわゆるＲＴＣ起動（自動オンオフ）が可能である。

【0072】

図２は、回生電力消費制御部２００の詳しい構成を含む回生電力消費システム２２０を示している。回生電力消費制御部２００は、エアポンプ２８、ヒータ８２、燃料電池用熱媒体供給装置２６及びヒータ用熱媒体供給装置２７の動作を制御して、回生電力を効率的に消費させる。

【0073】

回生電力消費制御部２００は、電力消費要求制御部２０２と、ヒータ電力消費制御部２０４と、エアポンプ電力消費制御部２０６と、切替弁制御部２０８と、ＦＣ温度監視部２１０と、ヒータ温度監視部２１２と、から構成される。

【0074】

なお、ヒータ８２の電源入力端子には、高電圧Ｖｉｎｖが印加され、接地端子は、スイッチ８７を介して接地されている。スイッチ８７がヒータ電力消費制御部２０４によって閉じられると、ヒータ８２は、回生電圧である高電圧Ｖｉｎｖから供給される電流によって発熱する。ヒータ８２が発熱することによって回生電力が消費されヒータ用熱媒体Ｃｈの温度が上昇する。なお、ヒータ８２は、暖房の際には、蓄電装置４４の高電圧Ｖｂｈから供給される電流によっても発熱する。

【0075】

［動作］
［フローチャートによる説明］
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成される。以下、図３のフローチャートを参照しながら、モータ４６の回生電力の電力消費制御に係わる燃料電池システム１０の動作について説明する。

【0076】

ステップＳ１にて、制御装置１５は、電源スイッチ７１がオン状態であるかオフ状態であるかを判定し、オフ状態継続中又はオン状態からオフ状態にされた（ステップＳ１：ＮＯ）場合には処理をステップＳ２に進める。
ステップＳ２にて、制御装置１５は、発電を終了する処理を行う。

【0077】

その一方、電源スイッチ７１がオン状態継続中又はオフ状態からオン状態にされた（ステップＳ１：ＹＥＳ）場合には、制御装置１５は、処理をステップＳ３に進める。

【0078】

この実施形態において、ステップＳ１にて、燃料電池システム１０を搭載する燃料電池自動車１２の電源スイッチ７１は、山頂のコテージ（高地）で駐車中充電後にオン状態（ステップＳ１：ＹＥＳ）にされる。

【0079】

この後、燃料電池自動車１２は、前記高地から坂道を、主に、アクセルペダルを踏み込まないで回生ブレーキをかけながら、いわゆるＥＶ（Electric Vehicle）走行で下り坂を下る降坂中の状態にあるとする。なお、ＥＶ走行とは、蓄電装置４４の電力だけでモータ４６を駆動する走行状態をいう。

【0080】

この降坂中、燃料電池システム１０は、燃料ガスを遮断した発電停止状態又は開回路電圧Ｖｏｃｖでの劣化を回避する非常に小電力のアイドル発電状態とされる。

【0081】

ステップＳ３にて、制御装置１５は、モータ４６による回生電力が発生しているか否かを判定する。

【0082】

図４は、燃料電池スタック１８の電流・電圧特性２０１を示している。横軸は、発電電流Ｉｆｃ［Ａ］、縦軸は、発電電圧Ｖｆｃ［Ｖ］である。

【0083】

燃料電池自動車１２は、発電電圧Ｖｆｃが発電電流Ｉｆｃの増減に対して略変化しない通常発電電圧Ｖｎ［Ｖ］で平地走行等の通常走行を行う。下り坂走行中に、燃料電池スタック１８は、アイドル電流Ｉｆｃｉｄｌｅ（アイドル電圧Ｖｆｃｉｄｌｅ）で僅かに発電状態、いわゆるアイドル発電状態が維持されている。アイドル発電状態が維持されている間、燃料電池スタック１８の温度が検出される。

【0084】

この実施形態では、燃料電池スタック１８の温度が、燃料電池スタック１８への熱媒体供給口に設けられた燃料電池用熱媒体温度センサ７９により検出され、ＦＣ温度監視部２１０で燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃとして取得される。

【0085】

アイドル発電状態では、前記高地から低地に向かう外気温の上昇も含めて、燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃは緩やかに上昇する。

【0086】

降坂中であって、前記アクセルペダルが踏まれていない状況下で、モータ４６は制動力（回生制動力）及び回生電力を発生し、制御装置１５によるステップＳ３の判定が肯定的（ステップＳ３：ＹＥＳ）とされ、制御装置１５は、処理をステップＳ４に進める。

【0087】

ステップＳ４にて、制御装置１５は、ＳＯＣセンサ４９により蓄電装置４４のＳＯＣを取得し、取得したＳＯＣが、満充電閾値ＳＯＣｔｈ未満であるか否かを判定する。

【0088】

ＳＯＣが満充電閾値ＳＯＣｔｈ未満である（ステップＳ４：ＹＥＳ、ＳＯＣ＜ＳＯＣｔｈ）場合には、制御装置１５は、処理をステップＳ５に進め、ＳＯＣが満充電閾値ＳＯＣｔｈ以上である（ステップＳ４：ＮＯ、ＳＯＣ≧ＳＯＣｔｈ）場合には、処理をステップＳ６に進める。

【0089】

ステップＳ５にて、制御装置１５は、モータ４６の回生電力をインバータ４５及びＤＣ／ＤＣコンバータ４１を介して高電圧Ｖｉｎｖの回生電力に変換する。制御装置１５は、高電圧ＶｉｎｖをＤＣ／ＤＣコンバータ４１により高電圧Ｖｂｈに降圧し、高電圧Ｖｂｈとされた回生電力を蓄電装置４４に充電し、処理をステップＳ１に進める。

【0090】

蓄電装置４４に充電し得ない場合、ステップＳ６にて、制御装置１５の電力消費要求制御部２０２は、ＦＣ温度監視部２１０で監視している温度センサ７９による熱媒体温度（燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃという）が、第１閾値温度Ｔｈ１以上か否かを監視する。

【0091】

高地からの下り坂走行の初期状態では、燃料電池スタック１８は冷えているので、ステップＳ６の判定は否定的（ステップＳ６：ＮＯ、燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｈ１未満）とされ、制御装置１５は、処理をステップＳ７に進める。

【0092】

ステップＳ７にて、制御装置１５の電力消費要求制御部２０２は、ヒータ温度監視部２１２で監視している温度センサ８３による熱媒体温度（ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔという）から燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃを引いた温度差（差分温度）（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）が閾値温度差（差分閾値温度）ΔＴｔｈ以上の温度か否かを判定する。

【0093】

高地からの下り坂走行の初期状態では、ヒータ８２も冷えているので、ステップＳ７の判定は否定的｛（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）＜ΔＴｔｈ、（ステップＳ７：ＮＯ）｝とされ、制御装置１５は、処理をステップＳ８（第１電力消費制御）に進める。

【0094】

ステップＳ８にて、ヒータ温度監視部２１２は、切替弁制御部２０８に切替弁８５の動作指示を送る。また、ステップＳ８にて、電力消費要求制御部２０２は、ヒータ電力消費制御部２０４に対し、ヒータ電力消費要求を指示してもよい。

【0095】

動作指示により切替弁制御部２０８は、切替弁８５を遮断状態に切り替える。

【0096】

ヒータ電力消費要求指示によりヒータ電力消費制御部２０４は、ヒータ８２を通電状態にする。通電状態において、ヒータ８２は、高電圧Ｖｉｎｖの回生電力により発熱する。

【0097】

図５Ａは、切替弁８５が遮断状態（燃料電池用熱媒体Ｃｆとヒータ用熱媒体Ｃｈを遮断している状態）に切り替えられている場合（ステップＳ８の処理中）の熱媒体Ｃｆ、Ｃｈの通流経路を示している。

【0098】

ヒータ用熱媒体Ｃｈは、ヒータ用熱媒体供給装置２７内を循環しているので、ヒータ用熱媒体Ｃｈの温度Ｔｈｔは、ヒータ電力消費制御部２０４の制御に基づくヒータ８２による回生電力の電力消費に応じて徐々に上昇する。

【0099】

ステップＳ８の回生電力の電力消費制御を第１電力消費制御又はヒータ単独電力消費制御という。
ステップＳ８の処理後、ステップＳ１：ＹＥＳ、ステップＳ３：ＹＥＳ、ステップＳ４：ＮＯ、ステップＳ６：ＮＯ及びステップＳ７：ＮＯ後のステップＳ８の第１電力消費制御中に、ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔが上昇する。ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔが上昇し、ステップＳ７の判定が肯定的｛（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）≧ΔＴｔｈ、（ステップＳ７：ＹＥＳ）｝とされると、制御装置１５は、処理をステップＳ９に進める。

【0100】

ステップＳ７の判定が肯定的となった場合、制御装置１５は、ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔがそれ以上には上昇しないようにヒータ８２（ヒータ用熱媒体供給装置２７）での回生電力の電力消費を制限してもよい。

【0101】

ステップＳ９にて、回生電力消費制御部２００のヒータ温度監視部２１２は、切替弁８５を連通状態にする動作指示を切替弁制御部２０８に送る。
また、ステップＳ９にて、電力消費要求制御部２０２は、ＦＣ温度監視部２１０からの廃熱回収許可情報（ステップＳ７：ＹＥＳ）に基づき、切替弁制御部２０８に廃熱回収許可情報を送る。

【0102】

切替弁制御部２０８は、前記廃熱回収許可情報及び前記動作指示により切替弁８５を遮断状態から連通状態（燃料電池用熱媒体Ｃｆとヒータ用熱媒体Ｃｈを連通している状態）に切り替える。切替弁８５の連通状態時に、切替弁８５の弁開度は、全開状態と閉状態との間の中間開度で調整するようにしてもよい。

【0103】

図５Ｂは、切替弁８５が連通状態に切り替えられている場合（ステップＳ９の処理中）の熱媒体Ｃｆ、Ｃｈの通流経路を示している。

【0104】

ヒータ用熱媒体供給装置２７の流路１４４を通流しているヒータ用熱媒体Ｃｈは、切替弁８５を通過し、流路１４０を通流している燃料電池用熱媒体Ｃｆと合流し、流路１４１を介して燃料電池スタック１８に導入される。

【0105】

ステップＳ９の処理により、ヒータ８２により温度上昇したヒータ用熱媒体Ｃｈの廃熱が燃料電池用熱媒体Ｃｆに伝達され、燃料電池スタック１８の温度を上昇させることで燃料電池スタック１８が廃熱回収状態にされる。
ステップＳ９の回生電力の電力消費制御を第２電力消費制御又はヒータ・燃料電池連携電力消費制御という。

【0106】

ステップＳ９の処理を行うことによる廃熱回収状態になると、燃料電池スタック１８の温度、すなわち燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃの上昇速度が大きくなる。一方、ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔは緩やかに下降する。

【0107】

従って、ステップＳ９の処理後に、ステップＳ１：ＹＥＳ、ステップＳ３：ＹＥＳ、ステップＳ４：ＮＯ、ステップＳ６：ＮＯ、ステップＳ７：ＹＥＳ、ステップＳ９の処理が繰り返される。
なお、この処理の繰り返し中に、ステップＳ７の条件式（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ≧ΔＴｔｈ）を満足するように、切替弁制御部２０８は、ＦＣ温度監視部２１０により監視される燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃ及びヒータ温度監視部２１２により監視されるヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔに基づき、切替弁８５の連通開度（弁開度）を調整してもよい。

【0108】

この処理の繰り返し中に、燃料電池スタック１８の燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃが上昇し、ステップＳ６の判定が肯定的（Ｔｆｃ≧Ｔｈ１、ステップＳ６：ＹＥＳ）となったとき、制御装置１５（回生電力消費制御部２００の電力消費要求制御部２０２）は、処理をステップＳ１０に進める。

【0109】

ステップＳ１０にて、回生電力消費制御部２００のＦＣ温度監視部２１０は、切替弁８５を連通状態から遮断状態にする動作指示を切替弁制御部２０８に送ると共に、エアポンプ電力消費許可情報（ＡＰ電力消費許可情報）を電力消費要求制御部２０２に送る。
ステップＳ１０にて、電力消費要求制御部２０２は、ヒータ電力消費制御部２０４へのヒータ電力消費要求を取り下げる。また、切替弁制御部２０８への廃熱回収許可情報を取り下げる。さらに、電力消費要求制御部２０２は、エアポンプ電力消費制御部２０６にエアポンプ電力消費要求を送る。
ステップＳ１０にて、エアポンプ電力消費制御部２０６は、エアポンプ２８の回転数を所定回転数まで上昇させると共に、エアポンプ２８からの酸化剤ガスが燃料電池スタック１８に過剰に供給されないようにバイパス弁１２２を開弁する。
ステップＳ１０にて、モータ４６の回生電力がエアポンプ２８により消費される。
ステップＳ１０の回生電力の電力消費制御を第３電力消費制御又はエアポンプ単独電力消費制御という。

【0110】

ステップＳ１０の処理後、ステップＳ１：ＹＥＳ、ステップＳ３：ＹＥＳ、ステップＳ４：ＮＯ、ステップＳ６：ＹＥＳ、ステップＳ１０の処理の繰り返し中に、燃料電池自動車１２が、降坂走行を終了する。降坂走行を終了し、例えば、平地走行に切り替わると、ステップＳ３の判定が否定的（ステップＳ３：ＮＯ）とされ、燃料電池自動車１２の燃料電池システム１０は、回生電力の電力消費制御を終了する。

【0111】

ステップＳ１０の回生電力の消費制御（第３電力消費制御）中に、燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃを一定の第１閾値温度Ｔｈ１に維持するために、サーモ弁３７の弁開度を調整して、ラジエータ３９による燃料電池用熱媒体Ｃｆの冷却を併用してもよい。

【0112】

図６は、理解の便宜のために、図３のフローチャートを参照して説明したステップＳ８～Ｓ１０の回生電力の電力消費制御（切替弁８５の制御を含む）の説明表２５０をまとめて示している。

【0113】

［タイミングチャートによる説明］
図３のフローチャートにより説明した動作の一例を図７のタイミングチャートを参照して説明する。

【0114】

図７におけるＡＰ電力消費要求（図７中、上から３番目に示している）は回生電力をエアポンプ２８で消費するための要求であって、ヒータ電力消費要求（図７中、上から４番目に示している）は回生電力をヒータ８２で消費するための要求である。

【0115】

なお、回生電力は、蓄電装置４４を介さず直接、補機類で消費されてもよい。又は、蓄電装置４４から補機類に電力を供給しながら蓄電装置４４が満充電閾値ＳＯＣｔｈを上回らないように充放電を繰り返し消費されてもよい。どちらの場合にも回生電力の電力消費と判断される。

【0116】

時点ｔ０にて電源スイッチ７１（図７中、最上段に示している）がオフ状態からオン状態に遷移する（ステップＳ１：ＹＥＳ）。時点ｔ０にて、燃料電池自動車１２の降坂に伴う回生電力（ステップＳ３：ＹＥＳ）の電力消費要求（図７中、上から２番目に示している）が発生すると同時に電力消費要求制御部２０２からヒータ電力消費制御部２０４に対し前記ヒータ電力消費要求が発生する。

【0117】

時点ｔ０にて、切替弁８５が遮断状態のままヒータ８２が通電されて回生電力の電力消費が開始される（ステップＳ８、図５Ａ、第１電力消費制御）。
時点ｔ０にて、燃料電池システム１０は、発電停止状態での待機又はアイドル発電状態を開始する。時点ｔ０にて、燃料電池システム１０を搭載した燃料電池自動車１２は、モータ４６によるＥＶ走行で降坂を開始する。

【0118】

降坂時に前記モータ４６が発生する回生電力のヒータ８２による電力消費（ヒータ単独による第１電力消費制御）により、時点ｔ０よりヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔ（図７中、最下段に示している）が上昇を開始する。

【0119】

時点ｔ１にて、ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔから燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃ（図７中、下から３番目に示している）を引いた温度差（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）が閾値温度差ΔＴｔｈ以上となった｛（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）≧ΔＴｔｈ｝ときに、電力消費要求制御部２０２から廃熱回収許可情報が切替弁制御部２０８に送られる。

【0120】

不等式｛（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）≧ΔＴｔｈ｝を｛Ｔｈｔ≧（Ｔｆｃ＋ΔＴｔｈ）｝に変形して言い換えれば、ヒータ用熱媒体温度Ｔｈｔが燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃに閾値温度差ΔＴｔｈを加えた温度以上の温度になったとき（時点ｔ１）に、電力消費要求制御部２０２から廃熱回収許可情報が切替弁制御部２０８に送られる。

【0121】

前記廃熱回収許可情報に基づく切替弁制御部２０８からの切替弁動作指示（図７中、下から２番目に示している）により時点ｔ１～時点ｔ２の間にて、切替弁８５が連通状態とされ（図５Ｂ）、ヒータ８２で発生した廃熱が燃料電池スタック１８により回収される（ステップＳ９、図５Ｂ、ヒータ・燃料電池連携による第２電力消費制御）。

【0122】

そのため、図７中、下から３番目に示すように、時点ｔ１～時点ｔ２の間で燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃの上昇速度が大きくなる。

【0123】

時点ｔ２にて、燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｈ１に到達する（ステップＳ６：ＹＥＳ）。
時点ｔ２にて、エアポンプ電力消費許可情報（図７中、下から４番目に示している）が「否」状態から「可」状態に移る。また、時点ｔ２以降、燃料電池用熱媒体温度Ｔｆｃは、一定値である第１閾値温度Ｔｈ１に温度制御される。

【0124】

これにより、時点ｔ３にて、電力消費要求制御部２０２からエアポンプ電力消費制御部２０６に対してエアポンプ電力消費要求が発生し、同時に、ヒータ電力消費要求が取り下げられる。時点ｔ４からエアポンプ２８の回転数（図７中、上から５番目に示している）を所定回転数まで上昇させることによる回生電力の電力消費が開始される（ステップＳ１０、エアポンプ単独による第３電力消費制御）。

【0125】

時点ｔ６にて、例えば、燃料電池自動車１２が下り坂から平地に至り、該平地での駐車を開始すると、モータ４６では、回生電力が発生しない（ステップＳ３：ＮＯ）。
時点ｔ６にて、電力消費要求制御部２０２は、エアポンプ電力消費要求を取り下げる。
時点ｔ６以降、燃料電池システム１０は、アイドル発電状態とされる。

【0126】

［付記］
上述した開示に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）燃料電池システム１０は、燃料ガスとエアポンプ２８から供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池１８と、前記燃料電池の温度を制御する熱媒体を、前記燃料電池に供給する燃料電池用熱媒体供給装置２６と、前記燃料電池の温度を制御する前記熱媒体の温度を検出する燃料電池用熱媒体温度センサ７９と、前記熱媒体を分岐させてヒータ８２に供給するヒータ用熱媒体供給装置２７と、前記ヒータの温度を制御する熱媒体の温度を検出するヒータ用熱媒体温度センサ８３と、前記燃料電池用熱媒体供給装置を通流する熱媒体と前記ヒータ用熱媒体供給装置を通流する熱媒体を連通又は遮断する切替弁８５と、を備え、蓄電装置４４と前記燃料電池の少なくともいずれから、前記エアポンプ、前記燃料電池用熱媒体供給装置及び前記ヒータ用熱媒体供給装置に補機用電力を供給すると共に、モータ４６に駆動力を発生させる駆動用電力を供給する燃料電池システムであって、前記モータに発生した回生電力を前記蓄電装置に充電し得ない場合に、燃料電池用熱媒体温度が第１閾値温度Ｔｈ１未満であって、且つヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた温度差（Ｔｈｔ－Ｔｆｃ）が閾値温度差ΔＴｔｈ以上となったとき、前記切替弁を連通状態に切り替えて、前記燃料電池用熱媒体温度を上昇させ、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度以上の温度となったとき、前記切替弁を遮断状態に切り替えて、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる電力消費制御を行う。

【0127】

このように、モータに回生電力が発生した場合であって、該回生電力を蓄電装置に充電し得ない場合に、ヒータ単独、ヒータ・燃料電池連携及びエアポンプ単独の順で回生電力を消費させるようにしたので、燃料電池システムを凍結させることなく、回生電力を的確に消費させることができる。

【0128】

言い換えれば、回生電力が発生している場合には、燃料電池による発電がアイドル状態とされ、スタック温度が低い。スタック温度が低いときに、回生電力によりエアポンプを高速に回転させる（通常回転させる）と、燃料電池システムが凍結する可能性がある。

【0129】

これに対して、この発明では、エアポンプ単独で回生電力を消費する前に、ヒータ単独で回生電力を消費する期間及びヒータ・燃料電池連携により回生電力を消費する期間を設けることで、燃料電池の温度を的確に制御でき、且つ回生電力を確実に消費することができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。

【0130】

（付記２）付記１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度未満であるときには、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる前記電力消費制御を行わない。
これにより、燃料電池の凍結を確実に防止することができる。

【0131】

（付記３）付記１に記載の燃料電池システムにおいて、前記モータに発生した前記回生電力を前記蓄電装置に充電し得ない場合に、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度未満であって、且つ前記ヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた前記温度差が前記閾値温度差未満であるとき、前記切替弁を遮断状態として前記回生電力を前記ヒータに供給して消費させる第１電力消費制御を行う。

【0132】

このように、モータに回生電力が発生した場合であって、該回生電力を蓄電装置に充電し得ない場合に、前記燃料電池用熱媒体温度が第１閾値温度未満であって、且つ前記ヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた温度差が閾値温度差未満であるとき、切替弁を遮断状態として前記回生電力をヒータ単独で消費させる第１電力消費制御を行う。

【0133】

回生電力が発生している場合には、燃料電池による発電がアイドル状態とされ、スタック温度が低い。スタック温度が低いときに、回生電力によりエアポンプを高速に回転させる（通常回転させる）と、燃料電池システムが凍結する可能性がある。これに対して、この第１電力消費制御中には、ヒータ単独で回生電力を消費するので、燃料電池の温度を的確に制御でき、且つ回生電力を確実に消費することができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。

【0134】

（付記４）付記３に記載の燃料電池システムにおいて、前記回生電力を前記ヒータに供給して消費させる前記第１電力消費制御中に、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度未満であって、且つ前記ヒータ用熱媒体温度から前記燃料電池用熱媒体温度を引いた前記温度差が前記閾値温度差以上となったとき、前記切替弁を連通状態に切り替え、前記回生電力を前記ヒータに供給して消費させつつ、前記燃料電池用熱媒体温度を上昇させ、前記ヒータの廃熱を前記燃料電池で回収し、前記燃料電池を温める第２電力消費制御を行う。

【0135】

このように、回生電力をヒータで消費し、且つヒータで温められたヒータ用熱媒体を燃料電池用熱媒体に合流させて燃料電池で熱を回収する第２電力消費制御を行うようにしたので、燃料電池システムの凍結を回避しながら、燃料電池の温度を上昇させることができる。

【0136】

（付記５）付記１に記載の燃料電池システムにおいて、前記切替弁の連通状態時に、前記切替弁の弁開度を全開状態と閉状態との間の中間開度で調整する。

【0137】

このように、切替弁の連通状態時に前記切替弁の弁開度を調整することで、ヒータ用熱媒体の廃熱を的確に燃料電池（燃料電池用熱媒体）で回収することができる。

【0138】

（付記６）付記１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池用熱媒体温度が前記第１閾値温度以上の温度となったとき、前記切替弁を遮断状態に切り替えて、前記ヒータによる電力消費を止め、前記エアポンプの回転数を上昇させて前記回生電力を前記エアポンプで消費させる第３電力消費制御を行う。

【0139】

このように、燃料電池用熱媒体温度が第１閾値温度以上の温度となっているので、換言すれば、燃料電池の温度が比較的に高い温度になっているので燃料電池側が暖機されていることから、エアポンプの回転数を上昇させても燃料電池システムの凍結を回避することができる。また、回生電力をエアポンプで確実に消費することができる。この場合、ヒータを暖房用空調機として、燃料電池と独立に動作させることができる。

【0140】

（付記７）付記１に記載の燃料電池システムにおいて、前記モータに前記回生電力が発生する場合は、前記燃料電池システムの降坂時に前記モータによる制動力が発生している場合である。

【0141】

これにより、燃料電池システムの降坂時にモータに発生する回生電力をヒータ、又はヒータと燃料電池用熱媒体、又はエアポンプで消費することで、降坂時に、確実に制動力を発生できると共に、燃料電池の過冷却を防止することができる。

【0142】

なお、本開示は、上述した開示に限らず、本開示の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【0143】

例えば、上述した開示では、切替弁制御部２０８へ回生電力消費制御部２００に設けられたヒータ温度監視部２１２から動作指示を送っているが、廃熱回収許可情報を基に他の異なる制御部を介して切替弁８５を制御してもよい。

【符号の説明】

【0144】

１０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１５…制御装置 １６…出力部
１８…燃料電池スタック（燃料電池） ２６…燃料電池用熱媒体供給装置
２７…ヒータ用熱媒体供給装置 ２８…エアポンプ
４４…蓄電装置 ４６…モータ
７９…燃料電池用熱媒体温度センサ（温度センサ）
８２…ヒータ
８３…ヒータ用熱媒体温度センサ（温度センサ）
８４…ヒータコア ８５…切替弁
２００…回生電力消費制御部（制御部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】