JP5754346B2

JP5754346B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5754346B2
Application number: JP2011239068A
Authority: JP
Inventors: 祐一坂上; 末松　啓吾; 啓吾末松
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: JP2013099081A

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

燃料電池を駆動源とする燃料電池車両では、一般に減速時や降坂時に車両駆動用モータ等を用いて回生制動を行わせ、回生制動により得られる回生電力を２次電池（電力貯蔵装置）に蓄え、次の発進時や加速時に利用することで、車両燃費、車両加速性能を向上させることが行われている。

しかしながら、降り坂が連続して続くような場合には、回生電力により２次電池が満充電状態になってしまい、駆動用モータからの回生電力を２次電池に蓄えることができなくなり、回生制動による制動力を得ることができなくなるという問題があった。このような場合、回生制動が利用できないために機械式のブレーキのみに依存することになり、さらには燃料電池車両では内燃機関車両などに比べてエンジンブレーキがない分だけ、機械式ブレーキの大型化やブレーキの操作頻度が上昇することに伴う運転者の負担増、乗車フィーリングの悪化といった問題があった。

このため回生制動による余剰電力を処理するために、２次電池への充電を優先しつつ、余剰電力を補機で消費させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の燃料電池システムでは、余剰電力を消費させる電力消費手段として、燃料電池の冷却水回路に設けられた電気ヒータ（補機）を用いている。

特許第４３４１３５６号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、燃料電池の余剰電力の消費が補機の応答性に左右されるため、以下の問題が生じる。つまり、応答性の悪い補機は、燃料電池の余剰電力の消費が遅れるため、その分だけ２次電池のＳＯＣが上昇し、２次電池で受け入れ不能
結果として回生制動による制動力（減速感）が得られなくなる。

本発明は上記問題点に鑑み、回生電力を得ることが可能な燃料電池システムにおいて、電力消費手段の特性を考慮して余剰電力を消費させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える移動体に搭載される燃料電池システムであって、前記移動体の制動に伴って回生電力を発生する回生電力発生手段（１１、１２）と、前記燃料電池（１０）および前記回生電力発生手段（１１、１２）と並列に接続された２次電池（１３）と、前記燃料電池（１０）または前記回生電力発生手段（１１、１２）からの電力供給で作動して電力を消費可能な電力消費手段（３１、４２、５１）と、前記２次電池（１３）の充電状態を検出する充電量検出手段（１００、Ｓ１１）と、前記回生電力発生手段（１１、１２）の回生電力のうち前記２次電池（１３）の充電可能電力を超える余剰電力を前記電力消費手段（３１、４２、５１）で消費させる余剰電力処理手段（１００、Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２１）とを備え、
前記電力消費手段（３１、４２、５１）は複数種類設けられているとともに、前記複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）は単位時間当りの消費電力の増加率が異なっており、前記余剰電力処理手段は、前記２次電池（１３）の充電状態に基づいて前記複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）の作動を制御することを特徴としている。

本発明によれば、回生電力は優先的に２次電池（１３）に蓄えられるとともに、回生電力が２次電池（１３）に受け入れ可能な電力を超えている場合は、余剰電力が電力消費手段で消費される。そして、応答性が異なる複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）の作動を、２次電池（１３）の充電状態に基づいて制御することで、電力消費手段の特性を考慮して余剰電力を消費させることができる。

また、請求項１に記載の発明では、前記余剰電力処理手段は、前記２次電池（１３）の充電可能電力が小さくなるにしたがって、前記複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）のうち単位時間当りの消費電力の増加率が小さい電力消費手段から優先的に作動させることを特徴としている。

これにより、２次電池（１３）の受入可能電力に余裕がある段階では応答性が悪い電力消費手段で余剰電力を消費させ、２次電池（１３）の受入可能電力が小さくなるにしたがって、応答性のよい電力消費手段で余剰電力を消費させることができる。このように、２次電池（１３）の充電状態に応じて電力消費手段を使い分けることで、２次電池（１３）のＳＯＣが上限値に到達することを極力回避でき、回生電力を電力消費手段で消費できる範囲が広がるため、電力消費手段が頻繁にオンオフを繰り返すことを抑制できる。

また、請求項２に記載の発明では、前記移動体の制動を行う機械式ブレーキを備え、前記余剰電力のうち前記電力消費手段（３１、４２、５１）の消費電力を超える電力に相当するエネルギを前記機械式ブレーキで消費することを特徴としている。

これにより、機械式ブレーキの使用を最小限に抑えることができ、乗車フィーリングの悪化を極力抑えることができる。

第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。車両空調装置の構成を示す概念図である。ヒータコアの斜視図である。補機の電力消費と補機に対する電力消費指令値との関係を示す図である。補機の応答性と優先順位の関係を示す図である。補機のオンオフの切り替えタイミングを示す図である。回生電力の消費処理を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用の電動モータ（電気負荷）１１や２次電池１３、その他補機３１、４２、５１などに電力を供給するように構成されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。

アノード（水素極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全体の反応：Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。なお、本発明は燃料電池の種類を限定するものではなく、他の種類の燃料電池、例えばリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池にも適用可能である。

燃料電池１０にて発生した直流電力は、インバータ１２で交流電流に変換され走行用モータ１１に供給される。これにより、モータ１１は車輪駆動力を発生させ車両を走行させることができる。また、燃料電池１０が発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して、２次電池１３に蓄えることができる。

インバータ１２は、燃料電池１０や２次電池１３から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ１１に供給して、走行用モータ１１を駆動している。本第１実施形態の電気自動車では、車両減速時や降坂時に走行用モータ１１を発電機として作動させて発電を行うとともにブレーキ力を得る回生制動を行い、回生制動によって発電された回生電力はインバータ１２を介して２次電池１３に充電できるように構成されている。ブレーキ踏力等から車両制動トルク指令値を算出し、車両制動トルク指令値から回生電力を算出することができる。なお、走行用モータ１１およびインバータ１２が本発明の回生電力発生手段に相当している。

本実施形態の燃料電池システムでは、走行用モータ１１による回生電力から２次電池１３に充電可能な電力を引いた差が余剰電力となり、余剰電力は補機３１、４２、５１で消費される。余剰電力が消費される補機３１、４２、５１については後述する。補機３１、４２、５１で消費しきれない余剰電力分は、図示しない機械式ブレーキで対応する。この場合、機械式ブレーキを使用した分だけ回生制動により発生する回生電力が小さくなる。

また、本第１実施形態の燃料電池システムでは、２次電池１３が燃料電池１０と電気的に並列接続されており、燃料電池１０とともに２次電池１３からもモータ１１に電力を供給可能に構成されている。例えば、車両発進時や加速時などに大きな電力が必要な場合、燃料電池１０からだけでなく２次電池１３からも電力を取り出して走行用モータ１１に供給することで対応することができる。２次電池１３としては、例えば一般的なニッケル水素電池を用いることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、２次電池１３と燃料電池１０とが同じ電圧になるように電圧変換を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、外部からの制御信号によって双方向に電力を伝達することができる。

燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４の間には、ダイオード１５が設けられている。このダイオード１５により、燃料電池１０に２次電池１３からの電流および走行用モータ１１、インバータ１２で回生された電流が流れ込み、燃料電池１０が破壊されるのを防いでいる。

燃料電池１０には、水素供給装置２０から水素供給経路２１を介して水素が供給され、空気供給装置３０から空気供給経路３２を介して空気が供給されるように構成されている。

水素供給装置２０としては例えば水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。水素供給経路２１には、シャットバルブ２２および水素レギュレータ２３が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、シャットバルブ２２を開き、水素レギュレータ２３によって所望の圧力にした水素を燃料電池１に供給する。

水素排出経路２４からは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極から固体高分子膜を通過して混入した窒素、酸素などが排出される。水素排出経路２４には、シャットバルブ２５が設けられており、燃料電池１０の運転条件に応じて開閉される。

空気供給装置３０としては、例えばエアコンプレッサを用いることができる。エアコンプレッサ３０は、コンプレッサ用モータ３１にて駆動される。空気供給経路３２には供給空気加湿用の加湿器３３が設けられている。加湿器３３は燃料電池１０から排出される排気空気に含まれる水分を回収し、この水分を用いてエアコンプレッサ３０の吐出後の空気を加湿する装置である。これにより、発電時における電気化学反応のために、燃料電池１０内の固体高分子膜を水分を含んだ湿潤状態にしておくことができる。なお、コンプレッサ用モータ３１は回生電力の余剰電力を消費させる補機を構成しており、回生電力の余剰電力が消費される。

空気排出経路３４からは、未反応空気、蒸気（あるいは水）および水素極から固体高分子膜を通過して混入した水素などが排出される。レギュレータ３５は、空気排出経路３４に設けられており、燃料電池１０を効率的に運転するために、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整している。

燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。固体高分子型燃料電池では、膜の耐熱温度や効率の点から８０℃前後で運転する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。

冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路４０、冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ４１、冷却水の放熱を行うラジエータ４３等から構成されている。冷却水としては、低温時でも凍結しないようにエチレングリコールと水の混合溶液を用いている。なお、冷却水が本発明の熱媒体に相当し、冷却水経路４０が本発明の熱媒体経路に相当し、ラジエータ４３が本発明の放熱器に相当している。

冷却水循環ポンプ４１はポンプ用モータ４２と機械的に接続されており、ポンプ用モータ４２を回転させることにより冷却水循環ポンプ４１を回転させて燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。冷却水循環ポンプ４１の回転数を調整することで、冷却水経路４０の冷却水流量を調整することができる。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。なお、ポンプ用モータ４２は回生電力の余剰電力を消費させる補機を構成しており、回生電力の余剰電力が消費される。

冷却ファン４４は冷却ファンモータ４５と機械的に接続されており、冷却ファンモータ４５を回転させることにより冷却ファン４４を回転させてラジエータ４３に送風し、ラジエータ４３より熱を外気に放出させることができる。なお、ラジエータ４３は車両走行時に走行風（ラム圧）を利用できる位置に搭載するのがのぞましい。

サーモスタット４６は、公知の技術であり冷却水温度が所定の値より大きい場合は、ラジエータ４３側に冷却水が流れるようにし、逆に冷却水温度が所定の値より小さい場合はラジエータバイパス経路４７に冷却水が流れるよう制御することで温度制御を行っている。

このような冷却系によって、冷却水循環ポンプ４１による流量制御、冷却ファン４４による風量制御、サーモスタット４６によるバイパス制御で冷却水の温度を調整し、燃料電池１０の温度制御を行うことができる。

また、本第１実施形態の構成では、冷却水が直接燃料電池１０内部と接するため、冷却水の導電率が大きいと、漏電による感電や燃料電池システム効率の低下をまねく。このため、本第１実施形態では、冷却水経路４０にイオン吸着用経路４８を設け、イオン吸着用経路４８にイオン交換樹脂（イオン吸着手段）４９を配置している。

イオン交換樹脂４９は、各部品より冷却水に溶出したイオンを吸着し、冷却水の導電率上昇を抑えることができる。ちなみにイオン吸着装置４９は、冷却水が流れる位置であれば、どこに設置してもよい。さらに、本第１実施形態では、導電率の小さい冷却水として、エチレングリコールと水の混合物を用いている。

また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口近傍には、冷却水温度を検出する温度センサ５０が設けられている。

冷却水経路４０における燃料電池１０の下流側であってラジエータ４３の上流側には、冷却水を加熱する電気ヒータ５１が設けられている。上述のように電気ヒータ５１には燃料電池システムの余剰電力が供給される。電気ヒータ５１は、供給電力を調整することで出力（加熱温度）を調整できる。また、電気ヒータ５１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの電力変換器を介することなくインバータ１２と直接接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して電気的に接続した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が破壊したときに電気ヒータ５１にて電力消費ができなくなり回生制動ができなくなる。このため、これらを電気的に直接接続することで燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

なお、電気ヒータ５１は、上述のコンプレッサ用モータ３１、ポンプ用モータ４２とともに回生電力の余剰電力を消費させる補機を構成しており、回生電力の余剰電力が消費される。また、補機を構成するコンプレッサ用モータ３１、ポンプ用モータ４２、電気ヒータ５１が本発明の電力消費手段を構成している。補機による回生電力の消費については後述する。

冷却水として、エチレングリコール水溶液を用いた場合には、酸素存在下で熱分解温度以上になると分解してギ酸などの有機酸を生成する。これらの有機酸は、冷却水中でイオン化し冷却水の導電率を上昇させる。電気ヒータ５１は冷却水と接する表面の温度がもっとも高くなるので、本第１実施形態では電気ヒータ５１の冷却水と接する表面あるいは電気ヒータ５１内部の冷却水と接する表面近傍に温度センサ５２を設けている。

本第１実施形態では、温度センサ５２にて検出した温度に基づいて、冷却水が冷却水の熱分解温度以下になるように冷却水の温度制御を行う。この温度制御を開始する温度を、熱分解温度以下の熱分解速度が大きくなる温度に設定してもよい。電気ヒータ５１による加熱温度を低下させるためには、電気ヒータ５１に循環する冷却水流量を増加させるか、あるいは電気ヒータ５１に供給する電力を低下させる。このような制御を行うことで、冷却水の熱分解によるイオンの発生を抑制しイオン交換樹脂４９の寿命を長くすることができる。

冷却水経路４０には、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせるための電気ヒータバイパス経路５３が設けられている。電気ヒータバイパス経路５３は、電気ヒータ５１の上流側で冷却水経路４０から分岐し、電気ヒータ５１の下流側で冷却水経路４０に合流している。冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３との分岐点には、流量調整弁（電気ヒータバイパス流量調整手段）５４が設けられている。本第１実施形態では、流量調整弁５４としてロータリバルブを用いている。流量調整弁５４により、電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に流れる冷却水の割合をそれぞれ０〜１００％の間で任意に調整することができる。

冷却水経路４０における電気ヒータ５１の下流側であってラジエータ４３の上流側には、室内暖房用ユニット５５が設けられている。室内暖房用ユニット５５は、ヒータコア（暖房用放熱器）５６、室内暖房用ファン５７、ファン用モータ５８、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁（暖房用放熱器バイパス流量調整手段）６０を備えている。

ヒータコア５６は冷却水を熱源として、ヒータコア５６を通過する空気を加熱するものである。室内暖房用ファン５７は室内暖房用ファンモータ５８と機械的に接続されており、室内暖房用ファンモータ５８を回転させることにより室内暖房用ファン５７を回転させてヒータコア５６に送風する。

図２は、車両用空調装置の構成を示す概念図である。図２に示すように、車室内空気あるいは車室外空気を室内暖房用ファン５７によってヒータコア５６に送り、ヒータコア５６を通過後の空気を車室内に送風できるように、ヒータコア５６および室内暖房用ファン５７の周囲にはダクトが設置されている。

図２に示すように、室内暖房用ファン１３は室内空気あるいは室外空気のエバポレータ６２に送られる。エバポレータ６２は、内部で低圧低温の冷媒が蒸発することで空気の冷却を行うものである。ヒータコア５６は、エバポレータ６２の空気流れ下流側に設置されている。ヒータコア５６には、エバポレータ６２通過後の空気をヒータコア５６を通過させるかどうかを制御するエアミックスドア６３が設けられている。

空気温度を低くして冷房したい場合には、エアミックスドア６３を閉じてヒータコア５６に空気が通過しないようにする。逆に空気温度を高くして暖房したい場合には、エアミックスドア６３を開いてヒータコア５６に空気が通過するようにする。除湿を行う場合には、エアミックスドア６３を開いてエバポレータ６２で冷却除湿した空気をヒータコア５６で加熱し、室内に導入する。エアミックスドア６３はオンオフ制御ではなく、必要な空気温度に応じ開度を調節できる。

ここで、常にヒータコア５６に温水が流れる構成とすると、例えば夏場で暖房の必要がないときにも、ヒータコア５６から熱が放出され空調性能に悪影響を与えたり、室内冷房のためのエネルギーが余分に必要になり車両燃費を悪化させることになる。特にエネルギー回生時は、ヒータコア５６の上流にある電気ヒータ５１から大きな熱が冷却水に放出されるので、エアミックスドア６３を閉じただけでは充分でなく、回生電力による熱が車室内に侵入することが考えられる。また、エアミックスドア６３の設置のために大きなスペースを必要とする。そこで本第１実施形態では、オンオフ弁６０およびバイパス経路５９を設置することで上記の問題を回避している。

図１に戻り、暖房用放熱器バイパス経路５９は、ヒータコア５６をバイパスするように冷却水経路４０に設けられており、ヒータコア５６の上流側で冷却水経路４０から分岐し、ヒータコア５６の下流側で冷却水経路４０に合流している。

オンオフ弁６０は、冷却水経路４０における暖房用放熱器バイパス経路５９との分岐点の下流側であってヒータコア５６の上流側に設けられている。オンオフ弁６０は、外部からの制御で冷却水循環流路４０を開閉可能な電気式の開閉弁であり、通常時（非通電時）は閉状態となっている。オンオフ弁６０を開状態にすることで冷却水はヒータコア５６に流れ、オンオフ弁６０を閉状態にすることで冷却水は暖房用放熱器バイパス経路５９に流れる。このような簡易な構成のオンオフ弁６０を用いることで、システムを簡易な構成とすることができ、コスト低減を図ることができる。

図３はヒータコア５６の斜視図である。ヒータコア５６はチューブとフィンで構成される熱交換器であり、チューブ内を冷却水が流れ、外部を空気が流れ熱交換を行うことができる。図３中の矢印は冷却水の流れを示している。また、図３に示すように、ヒータコア５６、暖房用放熱器バイパス経路５９、オンオフ弁６０が一体的に構成されている。これらの構成要素５６、５９、６０を一体化することで、車両への搭載性を向上させることができる。なお、これらの構成要素５６、５９、６０のうち任意の２つの組合せを一体化した場合も車両への搭載性を向上させることができる。

図１に戻り、本第１実施形態の燃料電池システムには、外気温を検出する外気温センサ６１が設けられている。さらに燃料電池システムには、車両システムおよび各構成機器を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御装置１００は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種制御機器の作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等の記憶部に記憶された制御プログラムに従って各種演算等の処理を実行する。本発明の熱媒体温度調整手段は、ＥＣＵ１００により構成される。ＥＣＵ１００は、温度センサ５２、６１の検出温度に基づいて、電気ヒータ５１に対する電力供給量の調整、冷却水流量の調整等を行い、冷却水温度を調整する。また、ＥＣＵ１００は、走行用モータ１１による回生電力を２次電池１３に充電させるとともに、補機３１、４２、５１に電力消費指令を出力することで、回生電力のうち２次電池１３で吸収できない余剰電力を補機３１、４２、５１で消費させるように構成されている。

図４は、補機３１、４２、５１の消費電力と補機３１、４２、５１に対する電力消費指令値との関係を示している。図４に示すように、補機３１、４２、５１の電力消費量の変化は、補機３１、４２、５１に対する電力消費指令値の変化に対して遅れが生じる。コンプレッサ用モータ３１、ポンプ用モータ４２、電気ヒータ５１の単位時間当りの消費電力の変化率である応答性は、それぞれ異なっている。本実施形態の電気ヒータ５１では、突入電流を防止するための制御を行っているため、最も応答性が悪くなっている。コンプレッサ用モータ３１とポンプ用モータ４２とでは、コンプレッサ用モータ３１の方が応答性が悪い。これらの補機の応答性は、電気ヒータ５１＜コンプレッサ用モータ３１＜ポンプ用モータ４２の順序となっている。本実施形態では、電気ヒータ５１を補機Ａとし、コンプレッサ用モータ３１を補機Ｂとし、ポンプ用モータ４２を補機Ｃとしている。

図５は、補機Ａ、Ｂ、Ｃで回生電力を消費させる際に用いられる優先順位を示している。図５に示すように、応答性（時定数）が悪い補機ほど優先順位を高くしている。このため、補機Ａが最も使用される優先順位が高くなり、次いで補機Ｂ、補機Ｃの順になる。ＥＣＵ１００による補機Ａ、Ｂ、Ｃに対する電力消費指令は、２次電池１３のＳＯＣ（充電状態）に基づいて行われる。ＳＯＣは、満充電状態に対する残存容量（％）で示される。本実施形態では、２次電池１３の性能が低下するＳＯＣ限界値を８０％としている。

図６は、２次電池１３のＳＯＣと補機Ａ、Ｂ、Ｃのオンオフの切り替えの関係を示している。図６に示すように、補機ＡはＳＯＣが第１所定値（６０％）以上でオンになり、補機ＢはＳＯＣが第２所定値（６５％）以上でオンになり、補機ＣはＳＯＣが第３所定値（７０％）以上でオンになる。また、各補機Ａ、Ｂ、ＣがオフになるＳＯＣは、ハンチング防止のためにヒステリシス幅を持たせてある。具体的には、各補機Ａ、Ｂ、ＣがオンになったＳＯＣより２％低いＳＯＣとなった場合に、各補機Ａ、Ｂ、Ｃがオフに切り替わるようになっている。また、本実施形態では、２次電池１３のＳＯＣがＳＯＣ上限値（充電量の上限値）に到達した場合には、２次電池１３への充電を行わず、回生電力を各補機Ａ、Ｂ、Ｃで消費させるとともに、余剰分を機械式ブレーキで対応するように構成されている。ＳＯＣ上限値は、第４所定値（７５％）に設定している。なお、第１〜第４所定値の括弧内で示した具体的な数値は一例であり、これらの数値は２次電池１３の種類や補機Ａ、Ｂ、Ｃの応答性等を考慮して任意に設定することができる。

次に、本第１実施形態の燃料電池システムでの回生電力の消費処理について図７のフローチャートに基づいて説明する。図７に示す回生電力の消費処理は、ＥＣＵ１００が所定の制御プログラムを実行することによって実現するものであり、所定の制御周期で繰り返し実行される。

まず、走行用モータ１１にて回生電力が発生しているか否かを判定する（Ｓ１０）。この結果、回生電力が発生していない場合は（Ｓ１０：ＮＯ）、回生電力の消費処理を終了する。一方、回生電力が発生している場合は（Ｓ１０：ＹＥＳ）、２次電池１３のＳＯＣを検出する（Ｓ１１）。

次に、２次電池１３のＳＯＣが第１所定値（６０％）を下回っているか否かを判定する（Ｓ１２）。この結果、ＳＯＣが第１所定値（６０％）を下回っていると判定された場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、回生電力を２次電池１３に充電する（Ｓ１３）。一方、ＳＯＣが第１所定値（６０％）以上であると判定された場合には（Ｓ１２：ＮＯ）、２次電池１３のＳＯＣが第２所定値（６５％）を下回っているか否かを判定する（Ｓ１４）。

この結果、ＳＯＣが第２所定値（６５％）を下回っていると判定された場合には（Ｓ１４：ＹＥＳ）、回生電力を補機Ａで消費し（Ｓ１５）、余剰電力を２次電池１３に充電する（Ｓ１６）。一方、ＳＯＣが第２所定値（６５％）以上であると判定された場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、２次電池１３のＳＯＣが第３所定値（７０％）を下回っているか否かを判定する（Ｓ１７）。

この結果、ＳＯＣが第３所定値（７０％）を下回っていると判定された場合には（Ｓ１７：ＹＥＳ）、回生電力を補機Ａ、Ｂで消費し（Ｓ１８）、余剰電力を２次電池１３に充電する（Ｓ１９）。一方、ＳＯＣが第３所定値（７０％）以上であると判定された場合には（Ｓ１７：ＮＯ）、２次電池１３のＳＯＣが第４所定値（７５％）を下回っているか否かを判定する（Ｓ２０）。

この結果、ＳＯＣが第４所定値（７５％）を下回っていると判定された場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、回生電力を補機Ａ、Ｂ、Ｃで消費し（Ｓ２１）、余剰電力を２次電池１３に充電する（Ｓ２２）。一方、ＳＯＣが第４所定値（７５％）以上であると判定された場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、回生電力を補機Ａ、Ｂ、Ｃで消費し（Ｓ２３）、余剰電力分を機械式ブレーキで対応する（Ｓ２４）。これにより、余剰電力に相当する回生電力の発生が抑えられる。

以上説明した本実施形態の構成によれば、回生電力は優先的に２次電池１３に蓄えられるとともに、回生電力が２次電池１３に受け入れ可能な電力を超えている場合は、余剰電力を補機Ａ、Ｂ、Ｃで消費している。複数種類の補機Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれの応答性に応じて回生電力を消費させる優先順位が設定されており、２次電池１３のＳＯＣに応じて、応答性が悪い補機から優先的に回生電力を消費させるように構成している。

これにより、２次電池１３の受入可能電力に余裕がある段階では応答性が悪い補機で余剰電力を消費させ、２次電池１３の受入可能電力が小さくなるにしたがって（ＳＯＣが大きくなるにしたがって）、応答性のよい補機で余剰電力を消費させることとなる。このように、２次電池１３のＳＯＣに応じて補機Ａ、Ｂ、Ｃを使い分けることで、２次電池１３のＳＯＣが上限値に到達することを極力回避でき、回生電力を補機Ａ、Ｂ、Ｃで消費できる範囲が広がるため、補機Ａ、Ｂ、Ｃが頻繁にオンオフを繰り返すことを抑制できる。この結果、補機Ａ、Ｂ、Ｃの耐久性や効率を向上させることができ、補機Ａ、Ｂ、Ｃの頻繁なオンオフに起因する騒音や振動の発生を抑制できる。また、機械式ブレーキの使用頻度を低減できるので、乗車フィーリングの悪化を防ぐことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、主に冷却水を燃料電池１０には循環させないで、電気ヒータ５１およびヒータコア５６に循環させることが可能な冷却水閉ループを形成した点が異なる。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８は、本第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図８では、冷却系以外の構成要素の図示を省略している。

図８に示すように、上記第１実施形態のサーモスタット４６の代わりに、本第２実施形態では冷却水経路４０とラジエータバイパス経路４７との合流点に流量調整弁６４を設けている。本実施形態では、この流量調整弁６４を第２流量調整弁６４とし、上述の流量調整弁５４を第１流量調整弁５４とする。また、冷却水経路４０におけるラジエータ４３の下流側に温度センサ６５を設けている。

第２流量調整弁６４と温度センサ６５の基本的な機能は、上記第１実施形態のサーモスタット４６と同様である。すなわち、ラジエータ４３通過後の冷却水温度を温度センサ６５にて検出し、その温度検出値に基づいて所望の冷却水温度になるように、第２流量調整弁６４を操作し、ラジエータ４３あるいはバイパス経路４７に流れる冷却水流量比を制御することができる。さらに本第２実施形態の第２流量調整弁６４は上記機能に加え、冷却水経路４０の上流側と下流側、バイパス経路４７の全方向にシャットできるように構成されている。

冷却水経路４０における第１流量調整弁５４の下流側であって電気ヒータ５１の上流側に第２の冷却水循環ポンプ６６が設けられている。この冷却水循環ポンプ６６は、冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３によって形成される閉ループＡのいずれの箇所に設けてもよい。本実施形態では、閉ループＡに設けられる冷却水循環ポンプ６６を第２冷却水循環ポンプ６６とし、第１実施形態で説明した冷却水循環ポンプ４１を第１冷却水循環ポンプ４１とする。第２冷却水循環ポンプ６６は、第１冷却水循環ポンプ４１に比較して循環させる冷却水が少ないので、第１冷却水循環ポンプ４１より小型のものを用いることができる。

第１冷却水循環ポンプ４１は、主に燃料電池１０に冷却水を供給する燃料電池冷却用ポンプとして構成され、第２冷却水循環ポンプ６６は、主にヒータコア５６に冷却水を供給する空調用ポンプとして構成される。なお、上記第１実施形態で説明したＳ２６の処理（図５参照）では、電気ヒータ５１に供給される冷却水流量を増大させればよく、第１冷却水循環ポンプ４１または第２冷却水循環ポンプ６６の少なくとも一方を作動させることで行うことができる。

本第２実施形態の第１流量調整弁５４は、燃料電池１０から流れてきた冷却水を電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に０〜１００％の範囲で分配する機能に加え、電気ヒータバイパス経路５３から流れてくる冷却水を電気ヒータ５１側に流す機能を有している。

第２流量調整弁６４を全方向に閉じ、第２冷却水循環ポンプ６６を作動させることで、冷却水は冷却水経路４０と電気ヒータバイパス経路５３によって形成される閉ループＡを循環する。この場合には、冷却水は燃料電池１０には循環せず、電気ヒータ５１およびヒータコア５６に循環することとなる。

このように、閉ループＡは熱容量の大きい燃料電池１０とは独立した暖房回路となるので、熱容量を小さくでき暖房の立ち上がり性能を向上できる。さらに燃料電池１０や配管などからの放熱を減少できるので、熱損失を低減でき立ち上がり性能を向上できる。また、圧力損失の大きな燃料電池１０を通過しない回路を形成できるので、燃料電池１０が発電していないときに暖房のみを使用したいときは第２冷却水循環ポンプ６６で冷却水を循環させることで、第１冷却水循環ポンプ６６の消費動力を低減できる。

本第２実施形態では、冷却水経路４０における電気ヒータ５１の直下に水素を燃料とする触媒燃焼式ヒータ６７を設けている。例えば氷点下においては、燃料電池１０が発電起動できなかったり、さらには２次電池１３も電解液が凍結して電力が得られない場合がある。このため、本第２実施形態では、水素触媒ヒータ６７を補助用ヒータとして電気ヒータ５１と併設し、電気ヒータ５１の電力が得られない場合の熱源として用いている。水素触媒ヒータ６７を熱源として、室内暖房を行ったり、燃料電池１０を暖機することができる。

また、水素触媒ヒータ６７の冷却水と接する表面あるいは水素触媒ヒータ６７内部の冷却水と接する表面近傍に、電気ヒータ５１と同様に温度センサ６８を設けている。発熱するヒータ６７表面において、冷却水の温度が高くなるので、ヒータ６７表面近傍の温度を検出することで、冷却水が冷却水の熱分解温度以下になるように制御する。この制御は熱媒体温度調整手段としてのＥＣＵ１００により行われる。

水素触媒ヒータ６７の温度を低下させるためには、冷却水の流量を増加させるか、あるいは水素触媒ヒータ６７に供給する水素量を減少させるか、あるいは供給空気量を増加させればよい。このような制御を行うことで、冷却水の熱分解によるイオンの発生を抑制しイオン交換樹脂の寿命を増加させることができる。

また、補助用ヒータとして水素触媒ヒータ６７を用いる理由は、燃料電池１０の燃料である水素を用いることができ、かつ燃焼式ヒータに比べて作動温度が低い（６００℃以下）からである。

また、低温環境下では触媒の活性が低く、燃焼起動できなかったり、未燃水素が多く発生する。このため、水素触媒ヒータ６７を電気ヒータ５１の直下に設けることで、低温時に電気ヒータ５１を作動させ冷却水を加熱し、触媒を活性温度以上に昇温させることができる。このとき、回生電力により余剰電力が発生していれば、余剰電力により電気ヒータ５１を介して触媒を加熱することができることになる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電気ヒータバイパス経路５３が設けられていない点が異なるものである。以下、上記第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９は、本第３実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図９では、冷却系以外の構成要素の図示を省略している。

図９に示すように、本第３実施形態では、電気ヒータ５１あるいは水素触媒ヒータ６７をバイパスさせる電気ヒータバイパス経路５３が存在しない。このため、冷却水を電気ヒータ５１側あるいは電気ヒータバイパス経路５３側に分配する第１流量調整弁５４を設ける必要がなく、冷却水経路４０の構成を簡素にできる。

本第３実施形態では、車室内の暖房が必要なときは、オンオフ弁６０を開状態とし、必要に応じて電気ヒータ５１あるいは水素触媒ヒータ６７を駆動し冷却水を加熱する。また、本第３実施形態でも、上記第１実施形態、第２実施形態と同様に回生電力を熱としてラジエータ４３あるいはヒータコア５６で消費することができる。

さらに、本第３実施形態のシステム構成をさらに簡略化するためには、オンオフ弁６０と暖房用放熱器バイパス経路５９を廃止する構成としてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第２実施形態と比較して、電気ヒータ５１を含む閉ループの構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０に示すように、本第４実施形態では、冷却水経路４０に、冷却水を電気ヒータ５１をバイパスさせるための第２の電気ヒータバイパス経路６９が設けられている。本実施形態では、この電気ヒータバイパス経路６９を第２電気ヒータバイパス経路６９とし、上述の電気ヒータバイパス経路５３を第１電気ヒータバイパス経路５３としている。

第２電気ヒータバイパス経路６９は、冷却水経路４０における第１の電気ヒータバイパス経路５３との分岐点より下流側で分岐し、冷却水経路４０における第１の電気ヒータバイパス経路５３との合流点より上流側で合流する。また、本実施形態の流量調整弁５４は、冷却水経路４０と第２の電気ヒータバイパス経路６９の分岐点に設けられている。

このような構成によって、冷却水は冷却水経路４０と第２電気ヒータバイパス経路６９からなる第２の閉ループＢを循環することができる。また、冷却水経路４０と第１電気ヒータバイパス経路５３によって、閉ループＢとは独立して燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。

例えば、図１で示した例では１個のＥＣＵ１００を用いて各種制御を行っているが、機器毎にＥＣＵを設け、それぞれのＥＣＵ同士で通信を行うように構成してもよい。

また、上記各実施形態では、コンプレッサ用モータ３１、ポンプ用モータ４２、電気ヒータ５１を回生電力のうち２次電池１３に充電できない余剰電力を消費させる補機（電力消費手段）として構成したが、これに限らず、他の機器（例えば冷却ファンモータ４５や室内暖房用ファンモータ５８等）を余剰電力を消費させる補機（電力消費手段）としてもよい。

また、上記各実施形態では、複数種類の補機Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれの応答性に応じて優先順位を設定し、２次電池１３のＳＯＣに応じて補機Ａ、Ｂ、Ｃを使い分けるようにしたが、これに限らず、一部の補機のみを２次電池１３のＳＯＣの値に応じてオンオフさせるようにしてもよい。「一部の補機」は、単位時間当りの消費電力の増加率が所定値より小さい補機（例えば補機Ａ）とすることができる。具体的には、回生電力のうち２次電池１３で受け入れできない余剰電力が発生した場合に、応答性の悪い補機Ａのみを２次電池１３のＳＯＣの値に応じてオンオフさせ、応答性のよい補機Ｂ、Ｃは２次電池１３のＳＯＣの値に関わらず、余剰電力を消費させるための電力消費目標値に追従するように作動させて電力消費させるようにすればよい。これにより、２次電池１３のＳＯＣが適正な値になるように制御することが可能となる。

また、上記各実施形態では、複数種類の補機Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれの応答性に応じて優先順位を設定し、２次電池１３のＳＯＣに応じて補機Ａ、Ｂ、Ｃを使い分けるようにしたが、これに限らず、複数種類の補機Ｄ、Ｅ、Ｆをそれぞれの耐久性に応じて優先順位を設定し、２次電池１３のＳＯＣに応じて補機Ｄ、Ｅ、Ｆを使い分けるようにしてもよい。例えば、耐久性が補機Ｄ＞補機Ｅ＞補機Ｆの順番とした場合に、２次電池１３のＳＯＣが第１所定値（６０％）以上第２所定値（６５％）未満では補機Ｄで回生電力の余剰電力を消費させ、２次電池１３のＳＯＣが第２所定値（６５％）以上第３所定値（７０％）未満では補機Ｄ、Ｅで回生電力の余剰電力を消費させ、２次電池１３のＳＯＣが第３所定値（７０％）以上第４所定値（７５％）未満では補機Ｄ、Ｅ、Ｆで回生電力の余剰電力を消費させるようにすればよい。このように、それぞれの耐久性に応じて補機Ｄ、Ｅ、Ｆを使い分けることで、補機Ｄ、Ｅ、Ｆの製品寿命を長くすることができる。

また、上記各実施形態では、２次電池１３で消費できない回生電力の余剰電力を補機で消費させるように構成したが、これに限らず、回生電力の余剰電力を走行用モータ１１やインバータ１２で消費させるようにしてもよい。具体的には、３相交流の位相角を走行用モータ１１やインバータ１２の効率が低下する角度とすることで、走行用モータ１１やインバータ１２で余剰電力を消費させることができる。

１０燃料電池
１１走行用モータ（回生電力発生手段）
１２インバータ（回生電力発生手段）
１３２次電池
３０エアコンプレッサ
３１コンプレッサ用モータ（電力消費手段）
４１冷却水循環ポンプ
４２ポンプ用モータ（電力消費手段）
５１電気ヒータ（電力消費手段）
１００電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims

水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える移動体に搭載される燃料電池システムであって、
前記移動体の制動に伴って回生電力を発生する回生電力発生手段（１１、１２）と、
前記燃料電池（１０）および前記回生電力発生手段（１１、１２）と並列に接続された２次電池（１３）と、
前記燃料電池（１０）または前記回生電力発生手段（１１、１２）からの電力供給で作動して電力を消費可能な電力消費手段（３１、４２、５１）と、
前記２次電池（１３）の充電状態を検出する充電量検出手段（１００、Ｓ１１）と、
前記回生電力発生手段（１１、１２）の回生電力のうち前記２次電池（１３）の充電可能電力を超える余剰電力を前記電力消費手段（３１、４２、５１）で消費させる余剰電力処理手段（１００、Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２１）とを備え、
前記電力消費手段（３１、４２、５１）は複数種類設けられているとともに、前記複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）は単位時間当りの消費電力の増加率が異なっており、
前記余剰電力処理手段は、前記２次電池（１３）の充電状態に基づいて前記複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）の作動を制御し、前記２次電池（１３）の充電可能電力が小さくなるにしたがって、前記複数種類の電力消費手段（３１、４２、５１）のうち単位時間当りの消費電力の増加率が小さい電力消費手段から優先的に作動させることを特徴とする燃料電池システム。
前記移動体の制動を行う機械式ブレーキを備え、
前記余剰電力のうち前記電力消費手段（３１、４２、５１）の消費電力を超える電力に相当するエネルギを前記機械式ブレーキで消費することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。