特開 2024-175496 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】P2024175496

(43)【公開日】2024-12-18

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04302 20160101AFI20241211BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20241211BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241211BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241211BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20241211BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20241211BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20241211BHJP

   B60L 50/70 20190101ALI20241211BHJP

   B60L 58/30 20190101ALI20241211BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04302

H01M8/04303

H01M8/04746

H01M8/04 Z

H01M8/04313

H01M8/00 Z

H01M8/04228

B60L50/70

B60L58/30

H01M8/04858

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023093328

(22)【出願日】2023-06-06

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】長澤 知哉

【テーマコード（参考）】

5H125

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H125AA01

5H125AC07

5H125BB05

5H125BD02

5H125BD07

5H125BD10

5H125BD12

5H125CD09

5H125EE32

5H125EE36

5H125EE47

5H125EE48

5H127AA06

5H127AB04

5H127AC09

5H127BA02

5H127BA41

5H127BB02

5H127DA02

5H127DA11

5H127DC22

5H127DC43

5H127DC45

5H127EE26

5H127FF02

(57)【要約】

【課題】暖機の失敗を抑制すること。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに接続される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、制御部と、を備える。制御部は、燃料電池スタックの残水量を算出する。制御部は、燃料電池スタックの発電量が残水量と相関がある目標暖機発電量となるように、燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整する。制御部は、燃料電池スタックの発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う際には、残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量が少なくなるように制御を行う。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続される電力変換装置と、
前記電力変換装置の下流側に設けられ、前記燃料電池スタックの発電した電力が供給される負荷と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの残水量を算出し、
前記燃料電池スタックの発電量が前記残水量と相関がある目標暖機発電量となるように、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整し、
前記燃料電池スタックの発電量が前記目標暖機発電量となるように制御を行う際には、前記残水量が多いほど前記酸化剤ガスの供給量が少なくなるように制御を行う、燃料電池システム。

【請求項2】

前記電力変換装置は、昇圧コンバータであり、
前記電力変換装置は、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子に並列接続されるダイオードと、を備え、
前記燃料電池スタックの発電停止時において、前記ダイオードを介して前記燃料電池スタックから前記負荷に電流が流れるように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量が前記目標暖機発電量となるように制御を行う際には、前記燃料電池スタックの電圧が一定になるように前記電力変換装置を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池システムは車両が備えるものであり、
前記制御部は、
前記車両のキーオフ時に、終了掃気時の情報に基づき前記残水量を算出し、
前記車両の次回のキーオン時に、前記終了掃気時の情報に基づき算出された前記残水量を利用して前記燃料電池スタックの発電量が前記目標暖機発電量となるように制御を行う、請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池スタックが発電を行うと、生成水が生じる。燃料電池スタックに生成水が残存した状態で環境温度が氷点下になると、生成水が凍結する場合がある。生成水が凍結すると、燃料電池スタックの化学反応が阻害される。特許文献１に開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの温度を測定する温度センサと、制御装置と、を備える。制御装置は、燃料電池スタックの発電停止時の温度に基づいて燃料電池スタックに残存している生成水の量を推定する。また、制御装置は、燃料電池システムの起動時に燃料電池スタックの暖機を行う。制御装置は、燃料電池スタックに残存している生成水の量、及び燃料電池スタックの温度に基づいて暖機発電電力を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－２６７３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池スタックを暖機する際には、燃料電池スタックの発電によって新たな生成水が生じる。暖機発電電力によっては、燃料電池スタックの温度が氷点下を超えるまでに、新たに生じた生成水が凍結する場合がある。これにより、燃料電池スタックが発電できなくなることで、暖機が失敗するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続される電力変換装置と、前記電力変換装置の下流側に設けられ、前記燃料電池スタックの発電した電力が供給される負荷と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの残水量を算出し、前記燃料電池スタックの発電量が前記残水量と相関がある目標暖機発電量となるように、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整し、前記燃料電池スタックの発電量が前記目標暖機発電量となるように制御を行う際には、前記残水量が多いほど前記酸化剤ガスの供給量が少なくなるように制御を行う。

【0006】

残水量と目標暖機発電量には相関があるため、残水量に応じた目標暖機発電量が設定される。これにより、暖機の失敗を抑制できる。制御部は、燃料電池スタックの発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う際には、残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量が少なくなるように制御を行う。燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が少ないと、燃料電池スタックが酸素欠乏状態になることで発電の効率が低下する。発電の効率が低下することで、燃料電池スタックの発熱量を増やすことができる。残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量を減らすことで、残水量が多いほど、燃料電池スタックの発熱を促すことができる。これにより、暖機の失敗を更に抑制することができる。

【0007】

上記燃料電池システムについて、前記電力変換装置は、昇圧コンバータであり、前記電力変換装置は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列接続されるダイオードと、を備え、前記燃料電池スタックの発電停止時において、前記ダイオードを介して前記燃料電池スタックから前記負荷に電流が流れるように構成されてもよい。

【0008】

上記燃料電池システムについて、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量が前記目標暖機発電量となるように制御を行う際には、前記燃料電池スタックの電圧が一定になるように前記電力変換装置を制御してもよい。

【0009】

上記燃料電池システムについて、前記燃料電池システムは車両が備えるものであり、前記制御部は、前記車両のキーオフ時に、終了掃気時の情報に基づき前記残水量を算出し、前記車両の次回のキーオン時に、前記終了掃気時の情報に基づき算出された前記残水量を利用して前記燃料電池スタックの発電量が前記目標暖機発電量となるように制御を行ってもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、暖機の失敗を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】図２は燃料電池システムの回路図である。

【図3】図３は残水量算出制御を示すフローチャートである。

【図4】図４は暖機制御を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

燃料電池システムの一実施形態について説明する。
図１に示すように、車両１０は、車両負荷１１と、キースイッチ１２と、外気温測定部１３と、燃料電池システム２０と、を備える。車両負荷１１は、電力によって駆動する装置である。車両負荷１１は、例えば、電力によって駆動する電動機である。この電動機の駆動によって車両１０は走行する。車両１０は、例えば、産業車両、農業機械、又は乗用車である。産業車両は、例えば、フォークリフト又はトーイングトラクタである。

【0013】

キースイッチ１２は、車両１０のユーザによって操作される。ユーザによる操作によってキースイッチ１２のオンとオフとが切り替えられる。ユーザは、車両１０を動作させる際にキースイッチ１２をオンする。ユーザは、車両１０の動作を終了させる際にキースイッチ１２をオフする。以下の説明において、キースイッチ１２がオンされることをキーオン、キースイッチ１２がオフされることをキーオフと称する場合がある。

【0014】

外気温測定部１３は、外気温を測定する。
＜燃料電池システム＞
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２１と、カソード系４０、アノード系６０と、制御部１２０と、を備える。

【0015】

燃料電池スタック２１は、複数の燃料電池セル２２を備える。燃料電池セル２２は、例えば、高分子膜型燃料電池セルである。燃料電池セル２２は、酸化剤ガスと燃料ガスとの化学反応によって発電を行う。燃料電池セル２２は、燃料ガスが供給されるアノード極と、酸化剤ガスが供給されるカソード極と、アノード極とカソード極との間に配置されている電解質膜と、を備える。

【0016】

図１に示すように、燃料電池スタック２１は、カソード流路３０と、アノード流路３３と、を備える。カソード流路３０には、酸化剤ガスが流れる。アノード流路３３には、燃料ガスが流れる。カソード流路３０は、流入口３１と、流出口３２と、を備える。酸化剤ガスは、流入口３１からカソード流路３０に流入し、流出口３２から流出する。アノード流路３３は、流入口３４と、流出口３５と、を備える。燃料ガスは、流入口３４からアノード流路３３に流入し、流出口３５から流出する。酸化剤ガスは、例えば、空気中の酸素である。燃料ガスは、例えば、水素ガスである。

【0017】

燃料電池システム２０は、温度測定部２３を備える。温度測定部２３は、燃料電池スタック２１の温度を測定する。
カソード系４０は、吸入口４１と、電動圧縮機４２と、インバータ４４と、インタークーラ４５と、カソード供給路４６と、カソード排出路４９と、第１バルブ５１と、第２バルブ５２と、を備える。

【0018】

吸入口４１は、燃料電池システム２０に酸化剤ガスを吸入する。吸入口４１は大気に開放されていてもよい。吸入口４１は、ガスボンベに接続されていてもよい。
電動圧縮機４２は、電動モータ４３を備える。電動圧縮機４２は、電動モータ４３によって駆動する。電動圧縮機４２は、燃料電池スタック２１に酸化剤ガスを供給する。詳細には、電動圧縮機４２は、吸入口４１から供給される酸化剤ガスを圧縮して燃料電池スタック２１に供給する。電動圧縮機４２から燃料電池スタック２１に供給された酸化剤ガスは、カソード流路３０を流れる。

【0019】

インバータ４４は、電動モータ４３に接続されている。インバータ４４は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ４３に供給する。これにより、電動モータ４３が駆動する。

【0020】

インタークーラ４５には、電動圧縮機４２から吐出された酸化剤ガスが供給される。インタークーラ４５は、電動圧縮機４２から供給された酸化剤ガスを冷却する。燃料電池スタック２１に供給される酸化剤ガスは、インタークーラ４５によって冷却された後の酸化剤ガスである。

【0021】

カソード供給路４６は、電動圧縮機４２とカソード流路３０とを接続している。詳細にいえば、カソード供給路４６は、電動圧縮機４２とカソード流路３０の流入口３１とを接続している。カソード供給路４６は、第１供給路４７と、第２供給路４８と、を含む。第１供給路４７は、電動圧縮機４２とインタークーラ４５とを接続している。第２供給路４８は、インタークーラ４５とカソード流路３０とを接続している。

【0022】

カソード排出路４９は、酸化剤排ガスが流れる通路である。酸化剤排ガスは、燃料電池スタック２１から排出される酸化剤ガスであって、生成水を含んだ酸化剤ガスである。生成水は、燃料電池スタック２１での発電によって生成される水である。

【0023】

第１バルブ５１は、カソード供給路４６に設けられている。本実施形態では、第２供給路４８、即ち、インタークーラ４５とカソード流路３０との間に第１バルブ５１が設けられている。第１バルブ５１は、第１供給路４７、即ち、インタークーラ４５と電動圧縮機４２との間に設けられていてもよい。

【0024】

第２バルブ５２は、カソード排出路４９に設けられている。第２バルブ５２は、開度が調整可能なバルブである。第２バルブ５２の開度を調整することによって酸化剤排ガスの圧力を調整できる。

【0025】

アノード系６０は、タンク６１と、減圧弁６２と、燃料ガス供給部６３と、供給路６４と、循環路６５と、気液分離器６６と、循環ポンプ６７と、インバータ６９と、排気排水弁７０と、を備える。

【0026】

タンク６１は、燃料ガスを貯留している。
減圧弁６２には、タンク６１から燃料ガスが供給される。減圧弁６２は、タンク６１から供給された燃料ガスを減圧する。減圧された燃料ガスは、燃料ガス供給部６３に供給される。

【0027】

燃料ガス供給部６３は、燃料電池スタック２１に供給される燃料ガスの量を調整するための部材である。燃料電池スタック２１に供給される燃料ガスの量は、燃料ガス供給部６３を制御することで調整可能である。燃料ガス供給部６３としては、例えば、インジェクタなどの電磁弁を用いることができる。

【0028】

供給路６４は、燃料ガス供給部６３と、アノード流路３３と、を接続している。詳細にいえば、供給路６４は、燃料ガス供給部６３と、アノード流路３３の流入口３４と、を接続している。燃料ガス供給部６３から噴射された燃料ガスは、供給路６４を通じて燃料電池スタック２１に供給される。

【0029】

循環路６５は、アノード流路３３と、供給路６４と、を接続している。詳細にいえば、循環路６５は、アノード流路３３の流出口３５と、供給路６４と、を接続している。循環路６５には、燃料排ガスが流れる。燃料排ガスは、未反応の燃料ガスと、生成水と、を含む。循環路６５は、燃料排ガスに含まれる未反応の燃料ガスを供給路６４に戻すための通路である。

【0030】

気液分離器６６は、循環路６５に設けられている。気液分離器６６は、燃料排ガスを燃料ガスと、生成水と、に分離する。燃料排ガスから分離された生成水は、気液分離器６６に貯留される。

【0031】

循環ポンプ６７は、循環路６５に設けられている。循環ポンプ６７は、電動モータ６８を備える。循環ポンプ６７は、電動モータ６８によって駆動する。循環ポンプ６７は、気液分離器６６によって燃料排ガスから分離された燃料ガスを供給路６４に供給する。これにより、燃料電池スタック２１に燃料ガスが循環する。

【0032】

インバータ６９は、電動モータ６８に接続されている。インバータ６９は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ６８に供給する。これにより、電動モータ６８が駆動する。

【0033】

排気排水弁７０は、気液分離器６６に接続されている。排気排水弁７０は、開状態と閉状態に切り替えられる。排気排水弁７０が開状態になると、気液分離器６６から生成水が排出される。また、循環路６５から排気が行われる。排気排水弁７０が閉状態になると、気液分離器６６から生成水を排出できなくなる。即ち、排気排水弁７０が閉状態の場合、気液分離器６６に生成水が貯留されていく。排気排水弁７０は、所定の開弁間隔毎に閉状態から開状態に切り替えられる。

【0034】

燃料電池システム２０は、冷却系８０を備える。冷却系８０は、冷媒循環路８１と、熱交換器８２と、ファン８３と、冷媒ポンプ８４と、インバータ８６と、冷媒温度測定部８７と、を備える。

【0035】

冷媒循環路８１は、燃料電池スタック２１と熱交換器８２とを接続している。熱交換器８２は、例えば、ラジエータである。冷媒循環路８１には、冷媒が循環する。冷媒としては、例えば、水、不凍液、又は空気が用いられる。

【0036】

ファン８３は、熱交換器８２に向けて送風を行う。ファン８３からの送風によって熱交換器８２の内部の冷媒は冷却される。
冷媒ポンプ８４は、冷媒循環路８１に冷媒を循環させる。冷媒ポンプ８４は、電動モータ８５を備える。冷媒ポンプ８４は、電動モータ８５によって駆動する。熱交換器８２で冷却された冷媒が冷媒循環路８１によって燃料電池スタック２１に供給されることで、燃料電池スタック２１は冷却される。

【0037】

インバータ８６は、電動モータ８５に接続されている。インバータ８６は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ８５に供給する。これにより、電動モータ８５が駆動する。

【0038】

冷媒温度測定部８７は、冷媒の温度を測定する。冷媒温度測定部８７は、燃料電池スタック２１と熱交換を行う前の冷媒の温度を測定するように設けられてもよいし、燃料電池スタック２１と熱交換を行った後の冷媒の温度を測定するように設けられてもよい。本実施形態において、冷媒温度測定部８７は、燃料電池スタック２１よりも下流、かつ、熱交換器８２よりも上流に設けられている。即ち、冷媒温度測定部８７は、燃料電池スタック２１と熱交換を行った後の冷媒の温度を測定するように設けられている。

【0039】

燃料電池システム２０は、電気系９０を備える。電気系９０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１と、電流センサ９３と、電圧センサ９４と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５と、第１蓄電装置９６と、第２蓄電装置９９と、第１リレー１１０と、第２リレー１１１と、を備える。

【0040】

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、燃料電池スタック２１に接続されている。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、燃料電池スタック２１の出力電力を昇圧して出力する昇圧コンバータである。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、電力変換装置の一例である。

【0041】

図２に示すように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、正極配線Ｌｐと、負極配線Ｌｎと、６つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６と、６つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６と、３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３と、コンデンサＣと、を備える。

【0042】

第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２とは互いに直列接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４とは互いに直列接続されている。第５スイッチング素子Ｑ５と第６スイッチング素子Ｑ６とは互いに直列接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１、第３スイッチング素子Ｑ３、及び第５スイッチング素子Ｑ５は、上アームを構成している。第２スイッチング素子Ｑ２、第４スイッチング素子Ｑ４、及び第６スイッチング素子Ｑ６は下アームを構成している。６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、例えば、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。

【0043】

ダイオードＤ１～Ｄ６は、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に並列接続されている。ダイオードＤ１～Ｄ６は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の寄生ダイオードである。ダイオードＤ１～Ｄ６は、素子であってもよい。上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５に並列接続されたダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５のカソードは、正極配線Ｌｐに接続されている。上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５に並列接続されたダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５のアノードは、互いに直列接続された２つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の中点に接続されている。下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に並列接続されたダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６のカソードは、互いに直列接続された２つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の中点に接続されている。下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に並列接続されたダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６のアノードは、負極配線Ｌｎに接続されている。

【0044】

上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５と下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６との中点には、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が１つずつ接続されている。リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、燃料電池スタック２１に接続されている。

【0045】

コンデンサＣは、正極配線Ｌｐと負極配線Ｌｎとの間に接続されている。
上記した第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１では、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング動作により昇圧が行われる。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、例えば、燃料電池スタック２１の出力電力を４８［Ｖ］に変圧して出力する。

【0046】

電流センサ９３は、燃料電池スタック２１の電流を測定する。
電圧センサ９４は、燃料電池スタック２１の電圧を測定する。電圧センサ９４は、複数の燃料電池セル２２の電圧を個別に測定できるものであってもよい。

【0047】

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に接続されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１の出力電力を降圧して出力する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５は、例えば、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１の出力電力を１２［Ｖ］に降圧して出力する。

【0048】

第１蓄電装置９６は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に接続されている。第１蓄電装置９６は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１に対して４８Ｖ系補機９７と並列に接続されている。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１からの出力電力が車両負荷１１及び４８Ｖ系補機９７の消費電力を上回っている場合、第１蓄電装置９６は余剰の電力によって充電される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１からの出力電力が車両負荷１１及び４８Ｖ系補機９７の消費電力を下回っている場合、第１蓄電装置９６は放電を行う。第１蓄電装置９６としては、充放電可能であれば、どのようなものを用いてもよい。第１蓄電装置９６は、例えば、二次電池又はキャパシタである。

【0049】

４８Ｖ系補機９７は、電動圧縮機４２、循環ポンプ６７、及び冷媒ポンプ８４を含む。
第２蓄電装置９９は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５に接続されている。第２蓄電装置９９は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５に対して１２Ｖ系補機１００と並列に接続されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５からの出力電力が１２Ｖ系補機１００の消費電力を上回っている場合、第２蓄電装置９９は余剰の電力によって充電される。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５からの出力電力が１２Ｖ系補機１００の消費電力を下回っている場合、第２蓄電装置９９は放電を行う。第２蓄電装置９９としては、充放電可能であれば、どのようなものを用いてもよい。第２蓄電装置９９は、例えば、二次電池又はキャパシタである。

【0050】

１２Ｖ系補機１００は、ファン８３、第１バルブ５１、及び第２バルブ５２を含む。
第１リレー１１０は、４８Ｖ系補機９７と第１蓄電装置９６との間に設けられている。第１リレー１１０が閉状態の場合、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１から第１蓄電装置９６に電力を供給可能である。第１リレー１１０が開状態の場合、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１の出力電力が第１蓄電装置９６に供給されない。

【0051】

第２リレー１１１は、第１蓄電装置９６と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５との間に設けられている。第２リレー１１１が閉状態の場合、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１及び第１蓄電装置９６から第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５に電力が供給可能である。第２リレー１１１が開状態の場合、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９５に電力が供給されない。

【0052】

第１蓄電装置９６、４８Ｖ系補機９７、第２蓄電装置９９、及び１２Ｖ系補機１００は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１の下流側に設けられ、燃料電池スタック２１の発電した電力が供給される負荷である。

【0053】

制御部１２０は、プロセッサ１２１と、記憶部１２２と、を備える。プロセッサ１２１は、例えば、CPU（Central Processing Unit）、GPU（Graphics Processing Unit）、又はDSP（Digital Signal Processor）である。記憶部１２２は、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）を含む。記憶部１２２は、不揮発性の記憶装置を含む。不揮発性の記憶装置は、例えば、EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、又はフラッシュメモリである。記憶部１２２は、処理をプロセッサ１２１に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部１２２、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部１２０は、ASICやFPGA等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部１２０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

【0054】

＜終了掃気＞
制御部１２０は、キースイッチ１２がオンの場合に燃料電池スタック２１に発電を行わせる。制御部１２０は、キースイッチ１２がオフされると、終了掃気を行う。終了掃気は、燃料電池スタック２１に滞留している生成水を燃料電池スタック２１の外部に排出する処理である。制御部１２０は、電動圧縮機４２を駆動することによって酸化剤ガスを燃料電池スタック２１に供給する。これにより、酸化剤ガスによって生成水が排出される。

【0055】

＜残水量算出制御＞
制御部１２０が行う残水量算出制御について説明する。残水量算出制御は、キースイッチ１２がオン状態のときに行われる。

【0056】

図３に示すように、ステップＳ１において、制御部１２０は、車両１０がキーオフされたか否かを判定する。ステップＳ１の判定結果が否定の場合、制御部１２０は、残水量算出制御を終了する。ステップＳ１の判定結果が肯定の場合、制御部１２０は、ステップＳ２の処理を行う。

【0057】

ステップＳ２において、制御部１２０は、残水量の算出を行う。残水量は、終了掃気が行われた後に燃料電池スタック２１に残存している生成水の量である。キーオフ時には終了掃気によって燃料電池スタック２１に滞留している生成水の排出が行われるが、終了掃気を行った場合であっても燃料電池スタック２１には生成水が残存する場合がある。特に、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を本実施形態のように構成した場合、燃料電池スタック２１に生成水が残存しやすい。上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５と下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６との中点には、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して燃料電池スタック２１の正極が接続されている。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１をこのように構成した場合、燃料電池スタック２１の電圧が第１蓄電装置９６の電圧よりも高ければ、ダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を介して燃料電池スタック２１から電流が流れることになる。従って、燃料電池スタック２１の発電停止時において、ダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を介して燃料電池スタック２１から負荷に電流が流れるように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は構成される。これにより、終了掃気後であっても燃料電池スタック２１で生成水が生じてしまうことで、終了掃気を行った場合であっても燃料電池スタック２１には生成水が残存する場合がある。

【0058】

制御部１２０は、終了掃気時の情報に基づき残水量を算出する。終了掃気時の情報は、終了掃気時の燃料電池スタック２１のインピーダンス、終了掃気時の燃料電池スタック２１の温度、終了掃気時の燃料電池スタック２１の電流、及び終了掃気時の燃料電池スタック２１の電圧の少なくとも１つである。本明細書において使用される「少なくとも１つ」という表現は、所望の選択肢の「１つ以上」を意味する。一例として、本明細書において使用される「少なくとも１つ」という表現は、選択肢の数が２つであれば「１つの選択肢のみ」または「２つの選択肢の双方」を意味する。他の例として、本明細書において使用される「少なくとも１つ」という表現は、選択肢の数が３つ以上であれば「１つの選択肢のみ」または「２つ以上の任意の選択肢の組み合わせ」を意味する。

【0059】

終了掃気時の燃料電池スタック２１のインピーダンスは、終了掃気時の特定時点で取得されたインピーダンスであってもよい。特定時点は、例えば、予め定められた時点であってメーカーやユーザが設定することができる。終了掃気時の燃料電池スタック２１のインピーダンスは、終了掃気時に複数回取得されたインピーダンスの平均値であってもよい。同様に、終了掃気時の燃料電池スタック２１の温度は、特定時点で取得された温度であってもよいし、終了掃気時に複数回取得された温度の平均値であってもよい。終了掃気時の燃料電池スタック２１の電流は、特定時点で取得された電流であってもよいし、終了掃気時に複数回取得された電流の平均値であってもよい。終了掃気時の燃料電池スタック２１の電圧は、特定時点で取得された電圧であってもよいし、終了掃気時に複数回取得された電圧の平均値であってもよい。

【0060】

終了掃気時の燃料電池スタック２１の温度は、温度測定部２３から取得可能である。終了掃気時の燃料電池スタック２１の電流は、電流センサ９３から取得可能である。終了掃気時の燃料電池スタック２１の電圧は、電圧センサ９４から取得可能である。終了掃気時の燃料電池スタック２１のインピーダンスは、種々の手法によって測定可能である。以下では、燃料電池スタック２１のインピーダンスの測定方法の一例について説明する。

【0061】

燃料電池スタック２１のインピーダンスは、インピーダンス分光法によって測定することができる。制御部１２０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を制御することによって燃料電池スタック２１に交流電圧を印加する。これにより、燃料電池スタック２１の直流電圧に交流電圧が重畳される。制御部１２０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御することによって燃料電池スタック２１の直流電圧に交流電圧を重畳させる。制御部１２０は、電流センサ９３及び電圧センサ９４から検出結果を取得する。制御部１２０は、燃料電池スタック２１の出力電流及び燃料電池スタック２１の出力電圧から交流成分を抽出する。制御部１２０は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池スタック２１のインピーダンスを測定する。制御部１２０が燃料電池スタック２１に印加する交流電圧の周波数は、電解質膜抵抗を測定できるように設定されている。

【0062】

燃料電池スタック２１の残水量は、上記した情報に基づき既知の手法によって算出することができる。
次に、ステップＳ３において、制御部１２０は、ステップＳ２で算出した残水量を記憶部１２２に記憶する。詳細にいえば、制御部１２０は、不揮発性の記憶装置に残水量を記憶する。

【0063】

＜暖機制御＞
制御部１２０が行う暖機制御について説明する。暖機制御は、キースイッチ１２がオフ状態のときに行われる。

【0064】

図４に示すように、ステップＳ１１において、制御部１２０は、車両１０がキーオンされたか否かを判定する。ステップＳ１１の判定結果が否定の場合、制御部１２０は、暖機制御を終了する。ステップＳ１１の判定結果が肯定の場合、制御部１２０は、ステップＳ１２の処理を行う。ステップＳ１１の判定結果が肯定の場合、制御部１２０は、センサ等の異常のチェック、燃料ガスの供給による燃料電池スタック２１内の燃料ガスの圧力の上昇、及び酸化剤ガスの供給による燃料電池スタック２１内の酸化剤ガスの圧力の上昇を行った後に、ステップＳ１２の処理を行ってもよい。

【0065】

ステップＳ１２において、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の暖機が必要か否かを判定する。燃料電池スタック２１の暖機が必要な状況は、外気温によって生成水が凍結する状況である。制御部１２０は、外気温が氷点下の場合、燃料電池スタック２１の暖機が必要であると判定する。制御部１２０は、外気温が氷点下ではない場合、燃料電池スタック２１の暖機が必要ではないと判定する。外気温は、例えば、外気温測定部１３から取得することができる。制御部１２０は、上位制御装置からの指令が入力された場合に、燃料電池スタック２１の暖機が必要であると判定してもよい。上位制御装置は、例えば、ユーザの操作によって指令を制御部１２０に出力する。ステップＳ１２の判定結果が否定の場合、制御部１２０は、暖機制御を終了する。この場合、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の暖機を行うことなく、燃料電池システム２０を起動する。ステップＳ１２の判定結果が肯定の場合、制御部１２０は、ステップＳ１３の処理を行う。

【0066】

ステップＳ１３において、制御部１２０は、記憶部１２２に記憶された残水量を読み出す。この残水量は、前回の終了掃気時点で燃料電池スタック２１に残存している生成水の量である。

【0067】

次に、ステップＳ１４において、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の目標暖機発電量を決定する。目標暖機発電量は、燃料電池スタック２１の暖機に必要となる発電量の目標値である。燃料電池スタック２１の暖機は、燃料電池スタック２１の発電によるジュール熱によって行われる。目標暖機発電量は、残水量と相関がある。具体的には、残水量が多いほど低い目標暖機発電量が設定される。目標暖機発電量と残水量との相関は、残水量が多いほど目標暖機発電量が低くなればよく、残水量が多くなるにつれて目標暖機発電量が連続的に低くなってもよいし、段階的に低くなってもよい。目標暖機発電量は、燃料電池スタック２１の内部で発生する生成水の凍結が起こらず、かつ、燃料電池スタック２１の暖機が可能な発電量に設定される。残水量と対応する目標暖機発電量の相関関係を示したマップが予め記憶部１２２に備えられている。制御部１２０は当該マップを用いて、目標暖機発電量を設定する。

【0068】

次に、ステップＳ１５において、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の発電量が、目標暖機発電量となるように制御を行う。これにより、燃料電池スタック２１の暖機が行われる。制御部１２０は、電動圧縮機４２及び第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を制御することによって燃料電池スタック２１の発電量が、目標暖機発電量となるように制御を行う。この際、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の電圧が一定になるように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を制御する。例えば、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の電圧と目標電圧との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を行う。これにより、燃料電池スタック２１の電圧が目標電圧となるようにスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６が制御される。目標電圧は、例えば、予め定められた電圧である。

【0069】

制御部１２０は、燃料電池スタック２１の発電量が、目標暖機発電量となるように電動圧縮機４２を制御する。例えば、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の発電量と目標暖機発電量との偏差が小さくなるようにインバータ４４のフィードバック制御を行う。これにより、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように、電動モータ４３の回転速度、即ち、酸化剤ガスの供給量が制御される。これにより、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように、燃料電池スタック２１への酸化剤ガスの供給量が調整される。制御部１２０は、燃料電池スタック２１の電流と目標電流との偏差が小さくなるようにインバータ４４のフィードバック制御を行ってもよい。この場合であっても、燃料電池スタック２１の電圧は一定であるため、燃料電池スタック２１の発電量が、目標暖機発電量となるように制御を行うことができる。目標電流は、目標電圧と乗算した場合に目標暖機発電量となる値である。

【0070】

制御部１２０は、残水量が多いと酸化剤ガスの供給量を減らし、残水量が少ないと酸化剤ガスの供給量を増やす。制御部１２０は、残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量を少なくする。燃料電池スタック２１の発電量が同一であっても、暖機制御時に燃料電池スタック２１に供給される酸化剤ガスは、暖機制御終了後に車両負荷１１に電力を供給する際に燃料電池スタック２１に供給される酸化剤ガスよりも少ない。残水量と酸化剤ガスの供給量との相関は、残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量が少なくなればよく、残水量が多くなるにつれて酸化剤ガスの供給量が連続的に少なくなってもよいし、段階的に少なくなってもよい。

【0071】

燃料電池スタック２１が発電を行うことによって、燃料電池スタック２１の温度は上昇する。制御部１２０は、終了条件が成立した場合に暖機制御を終了する。終了条件は、例えば、冷媒温度測定部８７によって測定される温度が閾値を超えた場合である。閾値は、燃料電池スタック２１の温度が氷点下を超えたと判定できるように設定されている。終了条件は、温度測定部２３によって測定される温度が氷点下を超えることであってもよいし、燃料電池スタック２１の暖機が行われている時間が所定時間を超えたことであってもよい。

【0072】

上記したように、制御部１２０は、車両１０のキーオフ時に、終了掃気時の情報に基づき残水量を算出する。そして、制御部１２０は、車両１０の次回のキーオン時に、終了掃気時の情報に基づき算出された残水量を利用して燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う。

【0073】

［本実施形態の作用］
制御部１２０は、燃料電池スタック２１の暖機を行う際には、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量に追従するように制御を行う。制御部１２０は、残水量が多いほど燃料電池スタック２１の目標暖機発電量を低くする。燃料電池スタック２１の発電量が高いほど、燃料電池スタック２１の発電により生じる生成水の量は多くなる。従って、残水量が多いほど燃料電池スタック２１の目標暖機発電量を低くすることで、残水量が多い場合には生成水の発生量を抑制しながら燃料電池スタック２１の暖機を行うことができる。目標暖機発電量が低くなることによって、燃料電池スタック２１の温度が氷点下を超えるまでに要する時間が長くなる。発明者が実験を行った結果、目標暖機発電量を高くすることによる生成水量の増加は、暖機に要する時間が長くなることによる生成水量の増加に比べて暖機失敗への影響が大きい。このため、目標暖機発電量を高くすることで燃料電池スタック２１の発熱量を増やすよりも、目標暖機発電量を低くして暖機に要する時間が長くした場合のほうが暖機の失敗が生じにくい。暖機の失敗は、燃料電池スタック２１の温度が氷点下を超えるまでに、新たに生じた生成水が凍結することで、燃料電池スタック２１が発電できなくなることである。

【0074】

［本実施形態の効果］
（１）残水量と目標暖機発電量には相関があるため、残水量に応じた目標暖機発電量が設定される。例えば、制御部１２０は、残水量が多いほど燃料電池スタック２１の目標暖機発電量を低くする。残水量が多い場合には生成水の発生を抑制しながら燃料電池スタック２１の暖機を行うことで、暖機の失敗を抑制できる。残水量が少ない場合には目標暖機発電量が高くなるため、暖機に要する時間を短くすることができる。

【0075】

また、制御部１２０は、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う際には、残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量が少なくなるように制御を行う。燃料電池スタック２１に供給される酸化剤ガスの量が少ないと、燃料電池スタック２１が酸素欠乏状態になることで発電の効率が低下する。発電の効率が低下することで、燃料電池スタック２１の発熱量を増やすことができる。このため、残水量が多いほど酸化剤ガスの供給量を減らすことで、残水量が多いほど、燃料電池スタック２１の発熱を促すことができる。これにより、暖機の失敗を更に抑制することができる。

【0076】

（２）第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、燃料電池スタック２１の発電停止時において、ダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を介して燃料電池スタック２１から負荷に電流が流れるように構成される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１がこのように構成される場合、燃料電池スタック２１の発電停止時に負荷に電流が流れることによって生成水が生じるため、燃料電池スタック２１の残水量が多くなるおそれがある。

【0077】

燃料電池スタック２１の発電停止時には、第１リレー１１０を開状態にして燃料電池スタック２１の電流が第１蓄電装置９６に流れないようにすることで、燃料電池スタック２１から流れる電流を小さくすることができる。これにより、生成水の発生を抑制することができる。しかしながら、この場合、終了掃気の動作に制限が加わる。

【0078】

第１蓄電装置９６の電力のみで終了掃気を行い、燃料電池スタック２１の電力を４８Ｖ系補機９７に供給しない場合、燃料電池スタック２１での生成水の発生を抑制することができる。しかしながら、この場合、第１蓄電装置９６の電圧が低い場合に４８Ｖ系補機９７を駆動できなくなるおそれがある。

【0079】

燃料電池スタック２１の発電停止時に燃料電池スタック２１の電圧が第１蓄電装置９６の電圧よりも低くなるように燃料電池セル２２の数を設定することで、燃料電池スタック２１での生成水の発生を抑制することができる。しかしながら、この場合、コストアップ、最大発電量の低下、及び発電効率の低下の原因となる。

【0080】

燃料電池スタック２１と第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１との間にリレーなどの遮断部材を設けて燃料電池スタック２１から負荷に電流が流れないようにすることで、燃料電池スタック２１での生成水の発生を抑制することができる。しかしながら、この場合、コストアップの原因となる。

【0081】

上記した対策に対し、本実施形態であれば、燃料電池スタック２１の残水量が多くなった場合であっても、暖機の失敗を抑制できる。このため、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を用いた場合であっても、暖機の失敗を抑制できる。

【0082】

（３）制御部１２０は、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う際には、燃料電池スタック２１の電圧が一定になるように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１を制御する。これにより、燃料電池スタック２１の発電量を安定させることができる。また、燃料電池スタック２１で発生する生成水の量をコントロールしやすくなる。

【0083】

（４）制御部１２０は、車両１０のキーオフ時に、終了掃気時の情報に基づき残水量を算出する。制御部１２０は、車両１０の次回のキーオン時に、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う。キーオフ時に残水量を算出しておくことで、車両１０の次回のキーオン時に残水量を算出する必要がないため、燃料電池システム２０の起動時間を短縮することができる。

【0084】

［変更例］
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0085】

○制御部１２０は、キーオン時に、残水量を算出してもよい。この場合、終了掃気時の情報を不揮発性の記憶装置に記憶しておけばよい。
○制御部１２０は、燃料電池スタック２１の発電量が目標暖機発電量となるように制御を行う際に、燃料電池スタック２１の電圧を一定にしなくてもよい。

【0086】

○電力変換装置は、降圧コンバータであってもよい。
○第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、燃料電池スタック２１の発電停止時において、ダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を介して燃料電池スタック２１から負荷に電流が流れないように構成されていてもよい。例えば、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ９１は、２つのフルブリッジ回路と、トランスと、を備える絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

【0087】

○燃料電池システム２０は、船舶、鉄道などに搭載されていてもよい。
○燃料電池システム２０は、定置式の発電装置として用いられてもよい。

【符号の説明】

【0088】

Ｄ１～Ｄ６…ダイオード、Ｑ１～Ｑ６…スイッチング素子、１０…車両、２０…燃料電池システム、２１…燃料電池スタック、９１…電力変換装置である第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２０…制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】