特開 2024-68761 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】P2024068761

(43)【公開日】2024-05-21

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20240514BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240514BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240514BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/0432

H01M10/48 301

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022179334

(22)【出願日】2022-11-09

(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】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 啓也

【テーマコード（参考）】

5H030

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H030AA01

5H030AS08

5H030FF22

5H127AB04

5H127AB29

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA39

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BA60

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB26

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127CC07

5H127DB99

5H127DC42

5H127DC96

5H127FF04

(57)【要約】

【課題】燃料電池システムにおいて、蓄電装置の温度が適度な温度になるまでの時間の短縮を図る。
【解決手段】蓄電装置Ｂと、蓄電装置Ｂの温度を検出する温度検出部Ｓｔと、蓄電装置Ｂに電力を供給する燃料電池ＦＣと、燃料電池ＦＣの発電電力を制御する制御部Ｃｎｔとを備えて燃料電池システムＦＣＳを構成し、制御部Ｃｎｔは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係における所定の充電率を含む通常時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御し、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、通常時使用範囲における内部抵抗の最大値より大きい内部抵抗を含む昇温時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電装置と、
前記蓄電装置の温度を検出する温度検出部と、
前記蓄電装置に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記温度検出部により検出される温度が温度閾値以上である場合、前記蓄電装置の充電率と内部抵抗との対応関係における所定の充電率を含む通常時使用範囲内を前記蓄電装置の充電率が変動するように、前記燃料電池の発電電力を制御し、
前記温度検出部により検出される温度が前記温度閾値より小さい場合、前記通常時使用範囲における内部抵抗の最大値より大きい内部抵抗を含む昇温時使用範囲内を前記蓄電装置の充電率が変動するように、前記燃料電池の発電電力を制御する
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であって、
前記昇温時使用範囲は、前記通常時使用範囲における充電率の最大値より大きい充電率を含む
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であって、
前記昇温時使用範囲は、前記対応関係における内部抵抗の最小値に対応する充電率より大きい充電率を含む第１昇温時使用範囲、及び、前記対応関係における内部抵抗の最小値に対応する充電率より小さい充電率を含む第２昇温時使用範囲のうち、単位充電率あたりの内部抵抗の変化量が大きい方である
ことを特徴とする燃料電池システム。

【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関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムとして、燃料電池システム内の蓄電装置の充電率（蓄電装置の満充電容量に対する残容量の割合）に応じて燃料電池の発電電力を制御するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

【0003】

ところで、蓄電装置の性能を十分に発揮させるために、蓄電装置の温度を比較的高くする必要があり、蓄電装置の温度を上昇させるために、例えば、蓄電装置を充電または放電させることで蓄電装置の内部抵抗に電流を流し蓄電装置を自己発熱させることが考えられる。なお、蓄電装置の自己発熱量＝蓄電装置の内部抵抗×（蓄電装置に流れる電流）^２とする。

【0004】

しかしながら、蓄電装置の温度が比較的低い場合、蓄電装置の内部抵抗が増大し蓄電装置に流すことが可能な最大電流が低下するため、蓄電装置の温度が適度な温度（例えば、蓄電装置の性能を十分に発揮させることが可能な温度）に上昇するまでに時間がかかるおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１０６１３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の一側面に係る目的は、燃料電池システムにおいて、蓄電装置の温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、蓄電装置と、前記蓄電装置の温度を検出する温度検出部と、前記蓄電装置に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記温度検出部により検出される温度が温度閾値以上である場合、前記蓄電装置の充電率と内部抵抗との対応関係における所定の充電率を含む通常時使用範囲内を前記蓄電装置の充電率が変動するように、前記燃料電池の発電電力を制御し、前記温度検出部により検出される温度が前記温度閾値より小さい場合、前記通常時使用範囲における内部抵抗の最大値より大きい内部抵抗を含む昇温時使用範囲内を前記蓄電装置の充電率が変動するように、前記燃料電池の発電電力を制御する。

【0008】

これにより、温度検出部により検出される温度が閾値以下である場合、充電時または放電時の蓄電装置の内部抵抗を増大させることができるため、蓄電装置の自己発熱量を増加させることができ、蓄電装置の温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることができる。

【0009】

また、前記昇温時使用範囲は、前記通常時使用範囲における充電率の最大値より大きい充電率を含んでもよい。

【0010】

また、前記昇温時使用範囲は、前記対応関係における内部抵抗の最小値に対応する充電率より大きい充電率を含む第１昇温時使用範囲、及び、前記対応関係における内部抵抗の最小値に対応する充電率より小さい充電率を含む第２昇温時使用範囲のうち、単位充電率あたりの内部抵抗の変化量が大きい方であってもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、蓄電装置の温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【図2】充電時または放電時における蓄電装置の充電率と内部抵抗との対応関係の一例を示す図である。

【図3】制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

【図4】多段階発電制御による燃料電池の発電制御を説明するための図である。

【図5】昇温時使用範囲の他の設定例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0014】

図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【0015】

図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、例えば、フォークリフト、トーイングカー、または無人搬送車（AGV:Automatic Guided Vehicle）などの車両に搭載され、その車両に搭載される負荷Ｌｏに電力を供給する。

【0016】

また、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、水素タンクＨＴと、水素タンク弁ＨＴＶと、インジェクタＩＮＪと、気液分離機ＧＬＳと、水素循環ポンプＨＰと、排気排水弁ＥＤＶと、希釈器ＤＩＬと、エアコンプレッサＡＣＰと、エア調圧弁ＡＲＶと、エアシャット弁ＡＳＶとを備える。

【0017】

また、燃料電池システムＦＣＳは、さらに、ラジエタＲと、ファンＦと、ウォータポンプＷＰと、インタークーラＩＣと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、温度検出部Ｓｔと、電流センサＳｉｆと、電圧センサＳｖｆと、電流センサＳｉｂと、電圧センサＳｖｂと、記憶部Ｓｔｇと、制御部Ｃｎｔとを備える。

【0018】

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、燃料ガス（水素ガスなど）に含まれる水素と酸化剤ガス（空気など）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

【0019】

水素タンクＨＴは、燃料ガスの貯蔵容器である。水素タンクＨＴに貯蔵された燃料ガスは水素タンク弁ＨＴＶ及びインジェクタＩＮＪを介して燃料電池ＦＣに供給される。

【0020】

水素タンク弁ＨＴＶは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスを減圧する。

【0021】

インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの流量を調整する。

【0022】

気液分離機ＧＬＳは、燃料電池ＦＣから排出される燃料ガスと液水とを分離する。

【0023】

水素循環ポンプＨＰは、気液分離機ＧＬＳにより分離された燃料ガスを燃料電池ＦＣに再度供給する。

【0024】

排気排水弁ＥＤＶは、気液分離機ＧＬＳにより分離された液水を希釈器ＤＩＬに送る。希釈器ＤＩＬに送られた液水は、希釈器ＤＩＬ内のタンクに溜まる。また、燃料電池ＦＣから排出された燃料ガスと酸化剤ガスは希釈器ＤＩＬで合流し、燃料電池システム１の外部または内部に排出される。

【0025】

エアコンプレッサＡＣＰは、燃料電池システムＦＣＳの周囲に存在する酸化剤ガスを圧縮しインタークーラＩＣ及びエアシャット弁ＡＳＶを介して燃料電池ＦＣに供給する。なお、エアコンプレッサＡＣＰの圧縮率は、燃料電池ＦＣの下流に設けられるエア調圧弁ＡＲＶの開度を調節することで制御される。

【0026】

インタークーラＩＣは、圧縮により高温になった酸化剤ガスをインタークーラＩＣに流れる冷却水などの冷媒と熱交換させる。

【0027】

エアシャット弁ＡＳＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスを遮断する。

【0028】

エア調圧弁ＡＲＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力や流量を調整する。

【0029】

ラジエタＲは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒を外気と熱交換させる。

【0030】

ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。

【0031】

ウォータポンプＷＰは、ラジエタＲにより冷却された冷媒をインタークーラＩＣを介して燃料電池ＦＣに供給する。

【0032】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの後段に接続され、燃料電池ＦＣから出力される電圧Ｖｆを所定の電圧に変換する。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力は、負荷Ｌｏ、水素循環ポンプＨＰなどの補機、及び蓄電装置Ｂに供給される。例えば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの電圧を４８［Ｖ］に変換する。

【0033】

蓄電装置Ｂは、リチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと負荷Ｌｏとの間に接続されている。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、各補機にそれぞれ供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、燃料電池システム１の外部（例えば、負荷Ｌｏの動作を制御する車両側制御部）から要求される要求電力より大きい場合、その供給電力のうち、要求電力分の電力が負荷Ｌｏに供給されるとともに、残りの電力が蓄電装置Ｂに供給される。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが充電され蓄電装置Ｂの充電率（蓄電装置Ｂの満充電容量に対する残容量の割合［％］）が増加する。また、負荷Ｌｏから燃料電池システムＦＣＳに供給される回生電力が蓄電装置Ｂに供給されると、蓄電装置Ｂが充電され蓄電装置Ｂの充電率が増加する。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、各補機にそれぞれ供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、燃料電池システム１の外部から要求される要求電力より小さい場合、その供給電力が負荷Ｌｏに供給されるとともに、足りない分の電力が蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに供給される。蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが放電され蓄電装置Ｂの充電率が減少する。

【0034】

温度検出部Ｓｔは、サーミスタなどにより構成され、蓄電装置Ｂの温度を検出し、その検出した温度を制御部Ｃｎｔに送る。

【0035】

電流センサＳｉｆは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに流れる電流Ｉｆを検出し、その検出した電流Ｉｆを制御部Ｃｎｔに送る。

【0036】

電圧センサＳｖｆは、分圧抵抗などにより構成され、燃料電池ＦＣから出力される電圧Ｖｆを検出し、その検出した電圧Ｖｆを制御部Ｃｎｔに送る。制御部Ｃｎｔは、電圧Ｖｆと電流Ｉｆとの乗算結果を燃料電池ＦＣの発電電力とする。

【0037】

電流センサＳｉｂは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに流れる電流Ｉｂまたは蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに流れる電流Ｉｂを検出し、その検出した電流Ｉｂを制御部Ｃｎｔに送る。

【0038】

電圧センサＳｖｂは、分圧抵抗などにより構成され、蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂを検出し、その検出した電圧Ｖｂを制御部Ｃｎｔに送る。制御部Ｃｎｔは、電圧Ｖｂと蓄電装置Ｂの充電率との対応関係を示す情報や電流Ｉｂの積算値などを用いて蓄電装置Ｂの充電率を求める。

【0039】

記憶部Ｓｔｇは、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、後述する通常時閾値Ｃｔｈ１０などを記憶する。

【0040】

制御部Ｃｎｔは、マイクロコンピュータなどにより構成され、燃料電池ＦＣの発電を制御する。

【0041】

例えば、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電率と複数の閾値との比較結果に応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させるとともに、ＰＩ（Proportional-Integral）制御などにより燃料電池ＦＣの発電電力が目標発電電力Ｐｔに追従するように、各補機の動作を制御する。

【0042】

このように、蓄電装置Ｂの充電率に応じて燃料電池ＦＣの発電電力を段階的に変化させることにより、燃料電池ＦＣの出力電圧の単位時間あたりの変動回数を抑えることができるため、燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができる。

【0043】

なお、目標発電電力Ｐｔが大きくなるほど、燃料電池ＦＣの発電電力が大きくなり、目標発電電力Ｐｔが小さくなるほど、燃料電池ＦＣの発電電力が小さくなるものとする。

【0044】

また、制御部Ｃｎｔは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値（例えば、蓄電装置の性能を十分に発揮させることができるときの蓄電装置Ｂの温度の最小値）以上である場合、蓄電装置Ｂの充電率が所定の充電率付近に保たれるように燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。なお、蓄電装置Ｂの充電率が所定の充電率付近に保たれているとき、蓄電装置Ｂの電圧が所望の電圧付近に保たれるように蓄電装置Ｂが構成されているものとする。

【0045】

例えば、蓄電装置Ｂの充電率が５０［％］付近に保たれるように燃料電池ＦＣの発電電力が制御される場合では、蓄電装置Ｂの充電率が１００［％］付近に保たれる場合や蓄電装置Ｂの充電率が０［％］付近に保たれる場合に比べて、蓄電装置Ｂの入出力電力の最大値を増加させることができる。すなわち、蓄電装置Ｂの充電率が５０［％］付近に保たれるように燃料電池ＦＣの発電電力が制御される場合では、負荷Ｌｏから蓄電装置Ｂに電力が供給されることや蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに電力が供給されることに余裕をもって対応することができる。

【0046】

ところで、上述したように、蓄電装置Ｂの温度を自己発熱により上昇させる場合で、かつ、蓄電装置Ｂの温度が比較的低い場合、蓄電装置Ｂの温度が適度な温度（例えば、蓄電装置Ｂの性能を十分に発揮させることが可能な温度）になるまでに時間がかかるおそれがある。

【0047】

そこで、実施形態の燃料電池システムＦＣＳでは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、すなわち、蓄電装置Ｂの温度が蓄電装置Ｂの性能を十分に発揮させることが難しい、比較的低い温度である場合、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合に比べて、蓄電装置Ｂの内部抵抗を増加させることが可能な蓄電装置Ｂの充電率付近で蓄電装置Ｂの充電率が保たれるように燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。

【0048】

これにより、蓄電装置Ｂの自己発熱量を増加させることができるため、蓄電装置Ｂの温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることができる。

【0049】

図２は、蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係の一例を示す図である。

【0050】

なお、図２に示す二次元座標の横軸は蓄電装置Ｂの充電率［％］を示し、縦軸は蓄電装置Ｂの内部抵抗［ｍΩ］を示している。また、図２に示す実線は充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を示し、図２に示す破線は放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を示している。また、内部抵抗として、Ｒ０＜Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ５＜Ｒ６＜Ｒ７＜Ｒ８＜Ｒ９＜Ｒ１０とする。

【0051】

制御部Ｃｎｔは、図２に示す充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係において、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、下限値を４０［％］とし上限値を６０［％］とする通常時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。

【0052】

これにより、通常時（例えば、蓄電装置Ｂの温度が蓄電装置Ｂの性能を十分に発揮させることが可能な温度であるとき）において、蓄電装置Ｂの充電率が５０［％］を中心とする前後２０［％］の範囲内、すなわち、５０［％］付近に保たれるように燃料電池ＦＣの発電電力を制御することができる。

【0053】

図２に示す充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係では、５０［％］の充電率に対応する内部抵抗が最も小さい値となっている。

【0054】

また、図２に示す充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係では、充電率が５０［％］より小さくなるほど、または、充電率が５０［％］より大きくなるほど、内部抵抗が大きくなっている。

【0055】

そのため、充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係では、６０［％］から８０［％］までの充電率の範囲における内部抵抗の最大値は、４０［％］から６０［％］までの充電率の範囲における内部抵抗の最大値より大きくなる。

【0056】

そこで、制御部Ｃｎｔは、図２に示す充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係において、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、下限値を６０［％］とし上限値を８０［％］とする昇温時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。言い換えると、制御部Ｃｎｔは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、通常時使用範囲における内部抵抗の最大値より大きい内部抵抗を含む昇温時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。なお、図２に示す例では、昇温時使用範囲は、通常時使用範囲の充電率の最大値より大きい充電率を含む。

【0057】

このように、昇温時使用範囲内を充電率が変動するように燃料電池ＦＣの発電電力を制御することで、通常時使用範囲内を充電率が変動するように燃料電池ＦＣの発電電力を制御する場合に比べて、充電時または放電時の蓄電装置Ｂの内部抵抗を増加させることができるため、蓄電装置Ｂの自己発熱量を増加させることができ、蓄電装置Ｂの温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることができる。

【0058】

図３は、制御部Ｃｎｔの動作の一例を示すフローチャートである。

【0059】

まず、制御部Ｃｎｔは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、蓄電装置Ｂの充電率と複数の通常時閾値との比較結果に応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させる（ステップＳ２）。

【0060】

一方、制御部Ｃｎｔは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、蓄電装置Ｂの充電率と複数の昇温時閾値との比較結果に応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させる（ステップＳ３）。

【0061】

例えば、燃料電池ＦＣの発電開始時、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、蓄電装置Ｂの充電率が７０［％］付近で変動するように燃料電池ＦＣの発電電力が制御されることで蓄電装置Ｂが昇温し、その後、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上になると、蓄電装置Ｂの充電率が５０［％］付近で変動するように燃料電池ＦＣの発電電力が制御される。

【0062】

図４（ａ）は、通常時閾値を使用した多段階発電制御を説明するための図であり、図４（ｂ）は、昇温時閾値を使用した多段階発電制御を説明するための図である。

【0063】

なお、通常時閾値Ｃｔｈ１０、通常時閾値Ｃｔｈ２１、及び通常時閾値Ｃｔｈ３２は、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上であるときに蓄電装置Ｂの充電率と比較される充電側の通常時閾値とし、通常時閾値Ｃｔｈ０１、通常時閾値Ｃｔｈ１２、及び通常時閾値Ｃｔｈ２３は、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上であるときに蓄電装置Ｂの充電率と比較される放電側の通常時閾値とする。

【0064】

また、昇温時閾値Ｃｔｈ１０´、昇温時閾値Ｃｔｈ２１´、及び昇温時閾値Ｃｔｈ３２´は、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さいときに蓄電装置Ｂの充電率と比較される充電側の昇温時閾値とし、昇温時閾値Ｃｔｈ０１´、昇温時閾値Ｃｔｈ１２´、及び昇温時閾値Ｃｔｈ２３´は、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さいときに蓄電装置Ｂの充電率と比較される放電側の昇温時閾値とする。

【0065】

また、通常時閾値Ｃｔｈ２３＜通常時閾値Ｃｔｈ３２≦通常時閾値Ｃｔｈ１２＜通常時閾値Ｃｔｈ２１≦通常時閾値Ｃｔｈ０１＜通常時閾値Ｃｔｈ１０とする。

【0066】

また、昇温時閾値Ｃｔｈ２３´＜昇温時閾値Ｃｔｈ３２´≦昇温時閾値Ｃｔｈ１２´＜昇温時閾値Ｃｔｈ２１´≦昇温時閾値Ｃｔｈ０１´＜昇温時閾値Ｃｔｈ１０´とする。

【0067】

また、目標発電電力Ｐｔ０＜目標発電電力Ｐｔ１＜目標発電電力Ｐｔ２＜目標発電電力Ｐｔ３とし、目標発電電力Ｐｔ０をゼロとする。目標発電電力Ｐｔ３と目標発電電力Ｐｔ２との差、目標発電電力Ｐｔ２と目標発電電力Ｐｔ１との差、目標発電電力Ｐｔ１と目標発電電力Ｐｔ０との差は、それぞれ、一定値でもよいし、異なる値でもよい。目標発電電力Ｐｔが目標発電電力Ｐｔ０になると、燃料電池ＦＣの発電が停止して燃料電池ＦＣから出力される電力がゼロになるものとする。目標発電電力Ｐｔの変化数は４つに限定されない。

【0068】

図３（ａ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、充電率が通常時閾値Ｃｔｈ３２以上になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ３から目標発電電力Ｐｔ２に変化させる。

【0069】

また、図３（ａ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、充電率が通常時閾値Ｃｔｈ２１以上になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ２から目標発電電力Ｐｔ１に変化させる。

【0070】

また、図３（ａ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、充電率が通常時閾値Ｃｔｈ１０以上になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ１から目標発電電力Ｐｔ０に変化させる。

【0071】

また、図３（ａ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、充電率が通常時閾値Ｃｔｈ０１以下になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ０から目標発電電力Ｐｔ１に変化させる。

【0072】

また、図３（ａ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、充電率が通常時閾値Ｃｔｈ１２以下になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ１から目標発電電力Ｐｔ２に変化させる。

【0073】

また、図３（ａ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値以上である場合、充電率が通常時閾値Ｃｔｈ２３以下になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ２から目標発電電力Ｐｔ３に変化させる。

【0074】

また、図３（ｂ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、充電率が昇温時閾値Ｃｔｈ３２´以上になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ３から目標発電電力Ｐｔ２に変化させる。

【0075】

また、図３（ｂ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、充電率が昇温時閾値Ｃｔｈ２１´以上になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ２から目標発電電力Ｐｔ１に変化させる。

【0076】

また、図３（ｂ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、充電率が昇温時閾値Ｃｔｈ１０´以上になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ１から目標発電電力Ｐｔ０に変化させる。

【0077】

また、図３（ｂ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、充電率が昇温時閾値Ｃｔｈ０１´以下になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ０から目標発電電力Ｐｔ１に変化させる。

【0078】

また、図３（ｂ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、充電率が昇温時閾値Ｃｔｈ１２´以下になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ１から目標発電電力Ｐｔ２に変化させる。

【0079】

また、図３（ｂ）に示すように、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの放電時において温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、充電率が昇温時閾値Ｃｔｈ２３´以下になると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ２から目標発電電力Ｐｔ３に変化させる。

【0080】

すなわち、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｂの充電率が大きくなるほど、燃料電池ＦＣから出力される電力が段階的に小さくなるように、燃料電池ＦＣの発電を制御し、充電率が小さくなるほど、燃料電池ＦＣから出力される電力が段階的に大きくなるように、燃料電池ＦＣの発電を制御する。

【0081】

また、制御部Ｃｎｔは、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さくなると、充電率と比較される閾値を、通常時閾値から昇温時閾値に変化させる。

【0082】

例えば、通常時閾値Ｃｔｈ１０を６０［％］に、通常時閾値Ｃｔｈ２１を５５［％］に、通常時閾値Ｃｔｈ３２を４５［％］に、通常時閾値Ｃｔｈ０１を５５［％］に、通常時閾値Ｃｔｈ１２を４５［％］に、通常時閾値Ｃｔｈ２３を４０［％］に設定する場合では、図２に示すように、下限値を４０［％］とし上限値を６０［％］とする通常時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御することができる。

【0083】

また、昇温時閾値Ｃｔｈ１０´を８０［％］に、昇温時閾値Ｃｔｈ２１´を７５［％］に、昇温時閾値Ｃｔｈ３２´を６５［％］に、昇温時閾値Ｃｔｈ０１´を７５［％］に、昇温時閾値Ｃｔｈ１２´を６５［％］に、昇温時閾値Ｃｔｈ２３´を６０［％］に設定する場合では、図２に示すように、下限値を６０［％］とし上限値を８０［％］とする昇温時使用範囲内を蓄電装置Ｂの充電率が変動するように、燃料電池ＦＣの発電電力を制御することができる。

【0084】

実施形態の燃料電池システムＦＣＳによれば、充電時または放電時の蓄電装置Ｂの温度が比較的低い場合、蓄電装置Ｂの内部抵抗を増加させることができるため、蓄電装置Ｂの自己発熱量を増加させることができ、蓄電装置Ｂの温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることができる。

【0085】

また、実施形態の燃料電池システムＦＣＳによれば、蓄電装置Ｂを昇温させるためにヒータなどを新たに設けることなく、蓄電装置Ｂの温度が適度な温度に上昇するまでにかかる時間の短縮を図ることができるため、製造コストの増加を抑制することができる。

【0086】

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

【0087】

＜変形例１＞
図５（ａ）は、昇温時使用範囲の他の設定例を示す図である。

【0088】

なお、図５（ａ）に示す二次元座標の横軸は蓄電装置Ｂの充電率［％］を示し、縦軸は蓄電装置Ｂの内部抵抗［ｍΩ］を示している。また、図５（ａ）に示す実線は充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を示し、図５（ａ）に示す破線は放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を示している。

【0089】

上記実施形態では、図２に示すように、５０［％］よりも１００［％］に近い充電率を含んで昇温時使用範囲（第１昇温時使用範囲）が設定される構成であるが、図５（ａ）に示すように、５０［％］よりも０［％］に近い充電率を含んで昇温時使用範囲（第２昇温時使用範囲）が設定されてもよい。なお、図５（ａ）では、昇温時使用範囲の下限値を２０［％］とし上限値を４０［％］としている。

【0090】

＜変形例２＞
図５（ｂ）は、昇温時使用範囲のさらに他の設定例を示す図である。

【0091】

なお、図５（ｂ）に示す二次元座標の横軸は蓄電装置Ｂの充電率［％］を示し、縦軸は蓄電装置Ｂの内部抵抗［ｍΩ］を示している。また、図５（ｂ）に示す実線は充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を示し、図５（ｂ）に示す破線は放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を示し、図５（ｂ）に示す一点鎖線は充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係と、放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係との平均値を示している。

【0092】

図２または図５（ａ）の例では、充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を用いて、昇温時使用範囲を設定する構成であるが、図５（ｂ）に示すように、充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係と、放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係との平均値を用いて、昇温時使用範囲を設定するように構成してもよい。図５（ｂ）の例では、昇温時使用範囲の下限値を２０［％］とし上限値を４０［％］としている。なお、通常時使用範囲は、図２に示す例と同様に、５０［％］を中心とする前後２０［％］の範囲とする。

【0093】

このように、各対応関係の平均値を用いて昇温時使用範囲を設定する場合は、蓄電装置Ｂの充電量と放電量が釣り合うように、燃料電池ＦＣの発電制御が行われる燃料電池システムＦＣＳに有効である。

【0094】

＜変形例３＞
また、昇温時使用範囲は、充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係または放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係において、内部抵抗の最小値に対応する充電率より大きい充電率を含む第１昇温時使用範囲、及び、内部抵抗の最小値に対応する充電率より小さい充電率を含む第２昇温時使用範囲のうち、単位充電率あたりの内部抵抗の変化量が大きい方としてもよい。

【0095】

＜変形例４＞
上記実施形態では、充電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係、または、放電時の蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係、または、各対応関係の平均値において、通常時使用範囲に含まれる内部抵抗の最大値より大きい内部抵抗が昇温時使用範囲に含まれるように昇温時使用範囲が設定される構成であるが、内部抵抗の最小値を含まないように昇温時使用範囲として設定してもよい。

【0096】

＜変形例５＞
また、昇温時使用範囲における単位充電率あたりの内部抵抗の変化量が、通常時使用範囲における単位充電率あたりの内部抵抗の変化量より大きくなるように昇温時使用範囲が設定されてもよい。

【0097】

＜変形例６＞
また、蓄電装置Ｂの充電率と、（充電時の蓄電装置Ｂの内部抵抗×α）＋（放電時の蓄電装置Ｂの内部抵抗×（１－α））の計算結果とにより求められる、蓄電装置Ｂの充電率と内部抵抗との対応関係を用いて昇温時使用範囲を設定するように構成してもよい。なお、αは、１より小さい値であり、蓄電装置Ｂの種類に応じて変化させてもよい。

【0098】

＜変形例７＞
また、制御部Ｃｎｔは、昇温時使用範囲を１００［％］側に設定する場合で、かつ、温度検出部Ｓｔにより検出される温度が温度閾値より小さい場合、車両側制御部に送られる、燃料電池システムＦＣＳの最大出力値を所定値下げるように構成してもよい。これにより、制御部Ｃｎｔから車両側制御部に送られる、燃料電池システムＦＣＳの最大出力値と、燃料電池システムＦＣＳの実際の最大出力値との差を小さくすることができるため、昇温時使用範囲を１００［％］側に設定することで燃料電池システムＦＣＳの最大出力値が低下してしまうことにより車両の駆動に生じる違和感を緩和することができる。

【符号の説明】

【0099】

ＦＣＳ 燃料電池システム
Ｌｏ 負荷
ＦＣ 燃料電池
ＨＴ 水素タンク
ＨＴＶ 水素タンク弁
ＩＮＪ インジェクタ
ＧＬＳ 気液分離機
ＨＰ 水素循環ポンプ
ＥＤＶ 排気排水弁
ＤＩＬ 希釈器
ＡＣＰ エアコンプレッサ
ＡＲＶ エア調圧弁
ＡＳＶ エアシャット弁
Ｒ ラジエタ
Ｆ ファン
ＷＰ ウォータポンプ
ＩＣ インタークーラ
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｂ 蓄電装置
Ｓｔ 温度検出部
Ｓｉｆ 電流センサ
Ｓｖｆ 電圧センサ
Ｓｉｂ 電流センサ
Ｓｖｂ 電圧センサ
Ｓｔｇ 記憶部
Ｃｎｔ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】