JP2004022464A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおけるアイドルストップ制御を最適化する。
【解決手段】補機を駆動制御して燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムのアイドルストップ制御をするに際して、駆動力要求が無く（ステップＳ１）、燃料電池スタックがアイドルストップ状態でないときには（ステップＳ３）、燃料電池温度を記憶した後に（ステップＳ５）、アイドルストップ状態にする（ステップＳ７）。そして、アイドルストップ状態にした後に、再度燃料電池温度を読み込み（ステップＳ６）、アイドルストップ状態にしたことによる燃料電池温度の低下幅を演算し（ステップＳ８）、温度低下幅が所定値以上となった場合には燃料電池スタック１を再起動させる（ステップＳ９，ステップＳ４）。これにより、燃料電池スタック内の凝縮水の増加を停止する。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃料電池スタックにて発電した電力により駆動モータを駆動させて走行する燃料電池車両等に搭載される燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、燃料電池システムを電源とし、モータを駆動源とする燃料電池システムとしては、特開２００１−３０７７５８号公報に開示された技術が知られている。
【０００３】
この燃料電池車両では、モータや補機に要求される負荷が低い時であって二次電池に蓄積した電力にて車両駆動できるときには、燃料電池スタックの運転作動及びこの燃料電池スタックを発電させるための補機類の動作を停止させ、要求される負荷が再度高くなったら自動的に運転を再開するアイドルストップ制御を行って燃費向上を図っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の燃料電池車両では、低負荷時に燃料電池システムの運転を停止した場合、燃料電池スタックの温度が低下するため、燃料電池スタック内部に存在するガス温度も低下し、燃料電池スタック内の水蒸気が凝縮することになる。このように燃料電池スタック内にて水蒸気が凝縮して凝縮水が蓄積し、凝縮水量が多くなりすぎると燃料電池スタックの電極が過度に濡れ、水素や酸素の拡散が阻害されてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池システムにおけるアイドルストップ制御を最適化する燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、補機を駆動制御して燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムの制御装置であって、補機の動作を停止させて燃料電池スタックの発電を停止させ、燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後に、燃料電池スタック内の凝縮水量が第１所定値を超えたと判定した場合に、燃料電池スタックを再起動させることにより、燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後に燃料電池スタック内の凝縮水量の更なる増加を停止することで、上述の課題を解決する。ここで、第１所定値とは、燃料電池スタックの起動などに影響を及ぼすような凝縮水量であって、予め設定されている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、アイドルストップ状態としたことにより、燃料電池スタック内部の凝縮水量が第１所定量を超える場合には、要求負荷が低負荷のままでも自動的に再起動させる構成としたので、再起動時の凝縮水の影響を最小限に抑制したアイドスルトップ制御が可能となり、アイドルストップ制御を最適化することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１０】
［第１実施形態］
［第１実施形態に係る燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように構成され、例えば、燃料電池スタック１を駆動源とした燃料電池車両に搭載される。燃料電池スタック１は、水素ガス等の燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電力を直接取り出すものである。
【００１１】
燃料電池システムは、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などからなる水素貯蔵装置を備え、そこから供給される水素と酸素を含む大気を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池スタック１から電力を取り出して駆動輪につながるモータを駆動する。
【００１２】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、燃料電池システム制御装置２により、車両運転者の運転操作に応じてモータに要求される駆動力を決定し、この駆動力に応じて燃料電池スタック１の発電量を決定する。燃料電池システム制御装置２では、アクセル操作や車速等によってモータに要求される駆動力を時々刻々演算するので、燃料電池スタック１の発電量もそれに応じて変化させる。このとき、燃料電池システム制御装置２は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電力を取り出すときに、燃料電池スタック１へのガス供給量を発電量にしたがって変化させる。
【００１３】
このような燃料電池システムでは、燃料電池システム制御装置２により後述の補機を制御することにより、空気極１ａ及び水素極１ｂからなる燃料電池スタック１に空気及び水素を供給することで発電させる。
【００１４】
空気は、大気からコンプレッサ３にて加圧され、空気加湿器４にて純水で加湿された後、燃料電池スタック１の空気極１ａに供給される。そして、燃料電池スタック１で使用されずに通過した空気は、空気調整弁５を介して大気へ排出される。
【００１５】
このとき、燃料電池システム制御装置２では、コンプレッサ３に接続されたコンプレッサモータ６を駆動すると共に、図示しない水ポンプを駆動して、空気加湿器４に純水を供給する制御をする。また、燃料電池システム制御装置２は、空気調整弁５の開度を調整するように図示しないアクチュエータの動作を制御すると共に、コンプレッサモータ６の回転数を制御することで、空気極１ａに供給する空気流量及び空気圧力を制御する。
【００１６】
更に、燃料電池システム制御装置２は、コンプレッサモータ６の回転数を検出する回転センサ７からのセンサ信号を入力し、コンプレッサモータ６が目標の回転数となるように制御する。また、燃料電池システム制御装置２は、空気加湿器４と燃料電池スタック１とを接続する空気挿通管に設けられた空気圧力センサ８からのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の空気極１ａでの空気圧力を目標圧力とするように空気調整弁５の開度を制御する。
【００１７】
水素は、高圧水素ボンベ９から水素調圧弁１０、エゼクタポンプ１１を経由して、水素加湿器１２にて純水で加湿された後、燃料電池スタック１の水素極１ｂに供給される。そして、燃料電池スタック１で使用されずに通過した水素は、エゼクタポンプ１１によって燃料電池スタック１の水素極１ｂに循環される。
【００１８】
また、燃料電池スタック１の水素排出側には、水素パージ弁１３が設けられている。この水素パージ弁１３は、燃料電池スタック１の状態に応じて燃料電池システム制御装置２により開閉制御され、燃料電池スタック１内部の水つまりや、空気極１ａから水素極１ｂへの空気のリークによる出力低下及び効率低下を防止するために使用される。
【００１９】
燃料電池システム制御装置２では、水素加湿器１２と燃料電池スタック１とを接続する水素挿通管に設けられた水素圧力センサ１４からのセンサ信号を入力し、水素極１ｂでの水素圧力を目標圧力とするように、水素調圧弁１０の開度を制御する。
【００２０】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度を測定する燃料電池温度センサ１５を備える。なお、本例では、図示しない冷却水系の温度を測定することで実質的に燃料電池スタック１温度を測定しているが、直接燃料電池スタック１に温度計を設けて測定しても良い。
【００２１】
更に、この燃料電池システムでは、外気温センサ１６にて外気温を測定し、ガス温度センサ１７にて燃料電池スタック１に供給する空気温度を測定する。なお、本例では、空気極１ａの温度を測定しているが、水素極１ｂにも同様に設定してもよい。
【００２２】
「燃料電池システムによるアイドルストップ制御処理」
上述の燃料電池システムでは、燃料電池システム制御装置２に入力される外部からの要求負荷に応じて、燃料電池スタック１の動作を一旦停止させるために補機動作を停止させるアイドルストップ制御を実行する。
【００２３】
図２に、燃料電池スタック１の動作を一旦停止したときの燃料電池温度の低下幅［℃］と燃料電池スタック１に蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す。ここで、燃料電池温度の低下幅は、燃料電池スタック１の動作停止からの経過時間に比例する。
【００２４】
燃料電池スタック１は、アイドルストップ時間（停止してからの時間）の増加に伴い、燃料電池スタック１の温度低下幅が大きくなり、その低下幅が大きくなるほど、内部の凝縮水量が増加する。そこで、予め計算或いは実験などで、アイドルストップ状態から再起動をさせる際に、起動時間などに大きな影響を及ぼす凝縮水量Ｗと、この量が凝縮する燃料電池温度低下幅ΔＴを求めておく。このように決定した凝縮水量Ｗ及び燃料電池温度低下幅ΔＴ１を燃料電池システム制御装置２にて保持しておいて、図３に示すアイドルストップ制御処理をする。
【００２５】
燃料電池システム制御装置２は、燃料電池システムが起動するとステップＳ１に処理を進めて、外部から駆動モータの駆動力要求（要求負荷）を入力したか否かの判定をし、駆動力要求を入力したときにはステップＳ２に処理を進め、入力していないときにはステップＳ３に処理を進める。
【００２６】
ステップＳ２においては、燃料電池システム制御装置２により、現在、燃料電池スタック１がアイドルストップ状態か否かを判定し、アイドルストップ状態であると判定したときにはステップＳ４に処理を進め、アイドルステップ状態でないときには処理をステップＳ１に戻して、入力した駆動力要求に応じて補機を制御して燃料電池スタック１を発電させる。
【００２７】
ステップＳ４においては、燃料電池システム制御装置２により、補機を駆動して燃料電池スタック１を再起動させることにより、ステップＳ１にて入力した駆動力要求に応じた電力を燃料電池スタック１に発電させてステップＳ１に処理を戻す。
【００２８】
ステップＳ１で駆動力要求を入力していない場合のステップＳ３においては、燃料電池スタック１がアイドルストップ状態か否かを判定し、アイドルストップ状態でないときにはステップＳ５に処理を進め、アイドルストップ状態であるときにはステップＳ６に処理を進める。
【００２９】
ステップＳ５においては、燃料電池システム制御装置２により、燃料電池温度センサ１５からセンサ信号を読み込んで記憶しておき、ステップＳ７に処理を進め、燃料電池スタック１をアイドルストップ状態、すなわち燃料電池システムの停止を行ってステップＳ１に処理を戻す。このステップＳ７において、燃料電池システム制御装置２は、単に燃料電池スタック１の発電を停止させるだけでなく、コンプレッサモータ６等の可能な限りの補機を含めて停止させる。
【００３０】
ステップＳ６においては、燃料電池システム制御装置２により、燃料電池温度センサ１５からのセンサ信号を読み込んで記憶しておき、ステップＳ８に処理を進め、記憶した燃料電池温度と、燃料電池スタック１をアイドルストップ状態にしたときの燃料電池温度とから、燃料電池温度低下幅ΔＴを演算する。すなわち、燃料電池システム制御装置２では、アイドルストップ状態にする直前にステップＳ５にて記憶した燃料電池温度と、ステップＳ６にて記憶した燃料電池温度との燃料電池温度低下幅ΔＴを演算する。
【００３１】
次のステップＳ９においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ８にて演算した燃料電池温度低下幅ΔＴと、燃料電池スタック１の起動時間に大きな影響を及ぼす凝縮水量Ｗとなる燃料電池温度低下幅ΔＴ１（図２参照）とを比較し、燃料電池温度低下幅ΔＴが燃料電池温度低下幅ΔＴ１以上でないと判定したときにはステップＳ１に処理を戻す。
【００３２】
一方、燃料電池温度低下幅ΔＴが燃料電池温度低下幅ΔＴ１以上であるときには、ステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動する。すなわち、燃料電池システム制御装置２は、燃料電池温度低下幅ΔＴが燃料電池温度低下幅ΔＴ１以上となった場合には、駆動力要求を入力していないときであっても燃料電池スタック１を再起動させる。ここで、燃料電池システム制御装置２は、予め燃料電池温度低下幅ΔＴ１を所定値として保持しており、例えば２０℃程度に設定する。
【００３３】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、図２に示したように凝縮水量Ｗに対する燃料電池温度低下幅ΔＴを推定しておき、燃料電池スタック１内部の凝縮水の推定量が所定量を超えたときには、アイドルストップ状態を中止して再起動させる構成としたので、凝縮水の増加により起動時間等に大きな影響を及ぼす状態となる前にアイドルストップ状態を解除し、再起動を行うことができる。
【００３４】
すなわち、燃料電池スタック１の再起動時に燃料電池スタック１内部に凝縮水が蓄積された状態では、燃料電池スタック１の発電効率が低下し、燃料電池スタック１の劣化につながることもあるが、この燃料電池システムによれば、凝縮水量が多くなる前に再起動するので発電効率の低下、劣化を抑制できる。
【００３５】
また、再起動時に燃料電池スタック１内に凝縮水が多量にある状態では、燃料電池スタック１へのガス供給量を増加させて燃料電池スタック１内部の凝縮水を外部に排出することも必要になり再起動に必要な時間が長くなる問題や、コンプレッサ３の作動音やガス排出音等の問題が発生することになるが、この燃料電池システムによれば、凝縮水量が多くなる前に再起動するので、燃料電池スタック１へのガス供給量を増加させる必要性も低下し、再起動のための時間短くすることができ、更に、コンプレッサ３の作動音やガス排出音を抑制できる。すなわち、燃料電池システムによれば、再起動時の凝縮水の影響を最小限に抑制したアイドルストップ制御が可能となる。
【００３６】
更に、燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の停止直前からの燃料電池温度の低下により燃料電池スタック１内部の凝縮水量を推定するので、精度の良い推定ができ、アイドルストップ状態の中止（再起動）を必要最小限にすることができる。
【００３７】
なお、この燃料電池システムでは、再起動後に駆動力要求を入力するまでアイドルストップを禁止するようにしても良い。
【００３８】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、その構成が第１実施形態と同様であるので説明を省略し、同様の部分については、第１実施形態にて使用した符号及びステップ番号を使用した説明をする。
【００３９】
図４に、外気温に応じた、燃料電池スタック１の動作を一旦停止したときのアイドル停止時間［ｓｅｃ］と燃料電池スタック１に蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す。
【００４０】
燃料電池システムでは、アイドルストップ時間の増加に伴い燃料電池スタック１の温度が低下するため、燃料電池スタック１内の凝縮水量が増加する。また、外気温が低いほど燃料電池スタック１の温度低下の速度が速いため、凝縮水量も多くなる。
【００４１】
したがって、アイドルストップからの再起動の際に、起動時間などに大きな影響を及ぼす凝縮水量をＷ０とすると、凝縮水量Ｗ０となるアイドルストップ時間は、外気温の違いによってそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３となる。すなわち、図４に示すように、外気温が低い程、アイドル停止時間に対する凝縮水量の増加が急峻となり、外気温が低いほど凝縮水量Ｗ０に達するまでの時間が短くなる。第２実施形態に係る燃料電池システムでは、図４の凝縮特性を予め実験などで求めておく。このように決定した凝縮水量Ｗ０及びアイドルストップ停止時間を燃料電池システム制御装置２にて保持しておいて、図５に示すアイドルストップ制御処理をする。
【００４２】
第２実施形態では、ステップＳ３にてアイドルストップ状態でないと判定した場合にはステップＳ１１に処理を進め、アイドルストップ状態であると判定した場合にはステップＳ１２に処理を進める。
【００４３】
ステップＳ１１においては、燃料電池システム制御装置２により、外気温センサ１６からセンサ信号を読み込んでステップＳ１３に処理を進め、アイドルストップ解除時間の演算を行ってステップＳ７に処理を進める。このとき、燃料電池システム制御装置２では、図４に示した外気温に応じた凝縮水量特性からアイドルストップ解除時間を求める。
【００４４】
次のステップＳ７においては、燃料電池システム制御装置２により燃料電池スタック１を停止させ、ステップＳ１４においてステップＳ１３にて演算したアイドルストップ解除時間を計測するために、時間計測を開始してステップＳ１に処理を進める。
【００４５】
ステップＳ１２においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ１４にて計測開始した経過時間と、ステップＳ１３にて演算したアイドルストップ解除時間とを比較し、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過していないときには再度ステップＳ１に処理を戻す。一方、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過したと判定したときには、アイドルストップ状態を中止するためにステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動する。
【００４６】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、図４に示したように燃料電池スタック１の発電効率や劣化等に影響を及ぼす凝縮水量Ｗ０となるまでの時間が外気温に応じて異なることに着目して、アイドルストップ解除時間を変更するので、外気温が異なる場合であっても凝縮水により起動時間等に大きな影響を及ぼす前にアイドルストップ状態を解除し、再起動を行うことが可能となる。
【００４７】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第３実施形態に係る燃料電池システムでは、その構成が第１実施形態と同様であるので説明を省略し、同様の部分については、上述の実施形態にて使用した符号及びステップ番号を使用した説明をする。
【００４８】
図６に、燃料電池スタック１の温度に応じた、燃料電池スタック１の動作を一旦停止したときのアイドル停止時間［ｓｅｃ］と燃料電池スタック１に蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す。
【００４９】
燃料電池システムでは、アイドルストップ時間の増加に伴い燃料電池スタック１の温度が低下し、燃料電池スタック１内の凝縮水量が増加する。また、アイドルストップ開始時の温度が高いと燃料電池温度の低下の速度が速く、更に、アイドルストップ開始時の燃料電池スタック１の温度が高いと燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が多いため、凝縮水量も多くなる。
【００５０】
図６において、アイドルストップ状態を停止して再起動する際に起動時間などに大きな影響を及ぼす凝縮水量をＷ１とすると、この量が凝縮するアイドルストップ時間は、アイドルストップ開始時の燃料電池温度の違いによってそれぞれＴ４、Ｔ５、Ｔ６となる。つまり、燃料電池温度が高いほど凝縮水量Ｗ１となるまでの時間が短くなる。
【００５１】
第３実施形態に係る燃料電池システムでは、図６の凝縮特性を予め実験などで求めておく。このように決定した凝縮水量Ｗ１及びアイドルストップ解除時間を燃料電池システム制御装置２にて保持しておいて、図７に示すアイドルストップ制御処理をする。
【００５２】
第３実施形態では、ステップＳ３にてアイドルストップ状態でないと判定した場合にはステップＳ２１に処理を進め、アイドルストップ状態であると判定した場合にはステップＳ２２に処理を進める。
【００５３】
ステップＳ２１においては、燃料電池システム制御装置２により、燃料電池温度センサ１５からセンサ信号を読み込んでステップＳ２３に処理を進め、アイドルストップ解除時間の演算を行ってステップＳ７に処理を進める。このとき、燃料電池システム制御装置２では、図６に示した燃料電池温度に応じた凝縮水量特性からアイドルストップ解除時間を求める。
【００５４】
ここで、ステップＳ２１では、燃料電池スタック１の冷却水系の温度を測定する温度センサにより検出した温度を燃料電池スタック１の温度としても良い。また、ステップＳ２１では、アイドルストップ状態にする直前の燃料電池温度或いは燃料電池冷却水温度を測定することになる。これは、アイドルストップ中は、水ポンプの動作を停止するために燃料電池冷却水の循環も停止するので、冷却水温度が燃料電池温度を正確に反映できなくなることによる。
【００５５】
次のステップＳ７においては、燃料電池システム制御装置２により燃料電池スタック１を停止させ、ステップＳ１４においてステップＳ２３にて演算したアイドルストップ解除時間を計測するために、時間計測を開始してステップＳ１に処理を進める。
【００５６】
ステップＳ２２においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ１４にて計測開始した経過時間と、ステップＳ２３にて演算したアイドルストップ解除時間とを比較し、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過していないときには再度ステップＳ１に処理を戻す。一方、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過したと判定したときには、アイドルストップ状態を中止するためにステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動する。
【００５７】
［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、図６に示したように燃料電池スタック１の発電効率や劣化等に影響を及ぼす凝縮水量Ｗ１に達するまでの時間が燃料電池温度に応じて異なることに着目して、アイドルストップ解除時間を変更するので、燃料電池温度が異なる場合であっても凝縮水により起動時間等に大きな影響を及ぼす前にアイドルストップ状態を解除し、再起動を行うことが可能となる。
【００５８】
また、この燃料電池システムによれば、アイドルストップ状態とする直前に燃料電池温度を検出してアイドルストップ解除時間を演算するので、燃料電池温度を検出するのに冷却水温度を検出する構成とした場合であっても、アイドルストップ状態にするときに水ポンプを停止したことによる燃料電池温度の精度低下を防止し、正確にアイドルストップ解除時間を演算することができる。したがって、この燃料電池システムでは、アイドルストップ状態となる直前の燃料電池温度を冷却水温度から求めることができ、直接燃料電池温度を測定する温度センサを使用する必要なく、低コストとすることができる。
【００５９】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第４実施形態に係る燃料電池システムでは、その構成が第１実施形態と同様であるので説明を省略し、同様の部分については、上述の実施形態にて使用した符号及びステップ番号を使用した説明をする。
【００６０】
図８に、燃料電池スタック１に供給するガス温度に応じた、燃料電池スタック１の動作を一旦停止したときのアイドル停止時間［ｓｅｃ］と燃料電池スタック１に蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す。
【００６１】
図８では、アイドルストップ時の燃料電池スタック１への供給ガス温度が高いほど燃料電池スタック１内のガス温度低下の速度が速く、更に、供給ガス温度が高いと燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が多いために凝縮水量も多くなる。例えば、アイドルストップ状態から再起動する際に、起動時間などに大きな影響を及ぼす凝縮水量をＷ２とすると、この量が凝縮するアイドルストップ時間は、供給ガス温度の違いによってそれぞれＴ７、Ｔ８、Ｔ９となる。つまり、供給ガス温度が高いほど凝縮水量Ｗ２となるまでの時間が短くなる。
【００６２】
第４実施形態に係る燃料電池システムでは、図８の凝縮特性を予め実験などで求めておく。このように決定した凝縮水量Ｗ２及びアイドルストップ解除時間を燃料電池システム制御装置２にて保持しておいて、図９に示すアイドルストップ制御処理をする。
【００６３】
第４実施形態では、ステップＳ３にてアイドルストップ状態でないと判定した場合にはステップＳ３１に処理を進め、アイドルストップ状態であると判定した場合にはステップＳ３２に処理を進める。
【００６４】
ステップＳ３１においては、燃料電池システム制御装置２により、ガス温度センサ１７からセンサ信号を読み込んでステップＳ３３に処理を進め、アイドルストップ解除時間の演算を行ってステップＳ７に処理を進める。このとき、燃料電池システム制御装置２では、図８に示した供給ガス温度に応じた凝縮水量特性からアイドルストップ解除時間を求める。
【００６５】
また、ステップＳ３１では、アイドルストップ直前の供給ガス温度を測定することになる。これは、アイドルストップ中は、コンプレッサ３の動作を停止するために供給ガスの供給も停止するので、アイドルストップ開始時の供給ガス温度を正確に反映できなくなることによる。
【００６６】
次のステップＳ７においては、燃料電池システム制御装置２により燃料電池スタック１を停止させ、ステップＳ１４においてステップＳ３３にて演算したアイドルストップ解除時間を計測するために、時間計測を開始してステップＳ１に処理を進める。
【００６７】
ステップＳ３２においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ１４にて計測開始した経過時間と、ステップＳ３３にて演算したアイドルストップ解除時間とを比較し、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過していないときには再度ステップＳ１に処理を戻す。一方、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過したと判定したときには、アイドルストップ状態を中止するためにステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動する。
【００６８】
［第４実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、図８に示したように燃料電池スタック１の発電効率や劣化等に影響を及ぼす凝縮水量Ｗ２に達するまでの時間が供給ガス温度に応じて異なることに着目して、アイドルストップ解除時間を変更するので、供給ガス温度が異なる場合であっても凝縮水により起動時間等に大きな影響を及ぼす前にアイドルストップ状態を解除し、再起動を行うことが可能となる。
【００６９】
［第５実施形態］
つぎに、第５実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第５実施形態に係る燃料電池システムでは、その構成が第１実施形態と同様であるので説明を省略し、同様の部分については、上述の実施形態にて使用した符号及びステップ番号を使用した説明をする。
【００７０】
図１０に、燃料電池温度及び外気温に対するアイドルストップ解除時間［ｓｅｃ］の変化を示している。図１０によれば、燃料電池温度が高くなるほどアイドルストップ解除時間が短くなると共に、外気温が低くなるほどアイドルストップ解除時間が長くなる。これは、燃料電池スタック１の起動時間等に影響を及ぼす凝縮水量に達する時間が燃料電池温度及び外気温に相関を有することによる。
【００７１】
第５実施形態に係る燃料電池システムでは、図１０の凝縮特性を予め実験などで求めておく。このように決定したアイドルストップ解除時間を燃料電池システム制御装置２にて保持しておいて、図１１に示すアイドルストップ制御処理をする。
【００７２】
第５実施形態では、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ３にてアイドルストップ状態でないと判定した場合にはステップＳ１１及びステップＳ１２において、アイドルストップ状態にする直前での外気温及び燃料電池温度を取得して、ステップＳ４１に処理を進める。
【００７３】
ステップＳ４１においては、燃料電池システム制御装置２により、外気温及び燃料電池温度に応じたアイドルストップ解除時間の演算を行ってステップＳ７に処理を進める。このとき、燃料電池システム制御装置２では、図１０に示した特性からアイドルストップ解除時間を求める。
【００７４】
次のステップＳ７においては、燃料電池システム制御装置２により燃料電池スタック１を停止させ、ステップＳ１４においてステップＳ４１にて演算したアイドルストップ解除時間を計測するために、時間計測を開始してステップＳ１に処理を進める。
【００７５】
ステップＳ４２においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ１４にて計測開始した経過時間と、ステップＳ４１にて演算したアイドルストップ解除時間とを比較し、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過していないときには再度ステップＳ１に処理を戻す。一方、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過したと判定したときには、アイドルストップ状態を中止するためにステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動する。
【００７６】
［第５実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第５実施形態に係る燃料電池システムによれば、図１０に示したようにアイドルストップ解除時間が燃料電池温度及び外気温に応じて異なることに着目して、アイドルストップ解除時間を変更するので、起動時間等に大きな影響を及ぼす前にアイドルストップ状態を解除し、再起動を行うことが可能となる。
【００７７】
［第６実施形態］
つぎに、第６実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第６実施形態に係る燃料電池システムでは、その構成が第１実施形態と同様であるので説明を省略し、同様の部分については、上述の実施形態にて使用した符号及びステップ番号を使用した説明をする。
【００７８】
図１２に、燃料電池スタック１の発電量［ｋＷ］に対するアイドルストップ解除時間［ｓｅｃ］の変化を示している。図１２によれば、燃料電池スタック１の発電量が高くなるほどアイドルストップ解除時間が短くなる。これは、燃料電池スタック１の発電により燃料電池スタック１内で純水が生成され、燃料電池スタック１の発電量が多いほど純水生成量（凝縮水量Ｗ）も多くなり、再起動時での水詰まりの可能性が高くなることによる。
【００７９】
第６実施形態に係る燃料電池システムでは、図１２の凝縮特性を予め実験などで求めておく。このように決定したアイドルストップ解除時間を燃料電池システム制御装置２にて保持しておいて、図１３に示すアイドルストップ制御処理をする。
【００８０】
第６実施形態では、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ４にてアイドルストップ状態でないと判定した場合にはステップＳ５１において、アイドルストップ状態にする直前での燃料電池スタック１の発電量を取得して、ステップＳ５３に処理を進める。
【００８１】
ここで、燃料電池システム制御装置２では、燃料電池スタック１をアイドルストップ状態にする前における燃料電池スタック１の発電量を、燃料電池スタック１をアイドルストップ状態にする前の所定期間における発電量の平均値として取得する。
【００８２】
ステップＳ５３においては、燃料電池システム制御装置２により、発電量に応じたアイドルストップ解除時間の演算を行ってステップＳ７に処理を進める。このとき、燃料電池システム制御装置２では、図１２に示した特性からアイドルストップ解除時間を求める。
【００８３】
次のステップＳ７においては、燃料電池システム制御装置２により燃料電池スタック１を停止させ、ステップＳ１４においてステップＳ５３にて演算したアイドルストップ解除時間を計測するために、時間計測を開始してステップＳ１に処理を進める。
【００８４】
ステップＳ５２においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ１４にて計測開始した経過時間と、ステップＳ５３にて演算したアイドルストップ解除時間とを比較し、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過していないときには再度ステップＳ１に処理を戻す。一方、経過時間がアイドルストップ解除時間を経過したと判定したときには、アイドルストップ状態を中止するためにステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動する。
【００８５】
［第６実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第６実施形態に係る燃料電池システムによれば、図１２に示したようにアイドルストップ解除時間が発電量に応じて異なることに着目して、アイドルストップ解除時間を変更するので、起動時間等に大きな影響を及ぼす前にアイドルストップ状態を解除し、再起動を行うことが可能となる。
【００８６】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電量を、燃料電池スタック１をアイドルストップ状態にする前の所定期間における発電量の平均値として取得するので、燃料電池スタック１の発電量に対するアイドルストップ解除時間を正確に推定することができ、燃料電池スタック１内の起動時間等に影響を及ぼす凝縮水量に達する前に確実に燃料電池スタック１を再起動させることができる。
【００８７】
［第７実施形態］
つぎに、第７実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、第７実施形態に係る燃料電池システムでは、その構成が第１実施形態と同様であるので説明を省略し、同様の部分については、上述の実施形態にて使用した符号及びステップ番号を使用した説明をする。
【００８８】
第７実施形態において、燃料電池システム制御装置２は、上述の第１実施形態〜第６実施形態にて推定される凝縮水量（第１所定値）に達するアイドルストップ解除時間が最も短い時間を予め実験等で求めておき、その時間を第１所定時間としてアイドルストップ時間がこれを超える場合に燃料電池スタック１を再起動させる。
【００８９】
また、燃料電池システム制御装置２は、燃料電池スタック１を再起動した後、凝縮水量が燃料電池スタック１の再起動に問題とならない凝縮水量以下に低下したと判定し、且つ要求負荷が低負荷の状態の場合に再度アイドルストップ状態にする。
【００９０】
ここで、凝縮水増加の場合と同様に凝縮水低下の要因も様々であるが、燃料電池スタック１の再起動からの経過時間の増加に伴い凝縮水量が低下する。そこで、燃料電池システム制御装置２は、想定される燃料電池スタック１の再起動後に、凝縮水量が問題となる量（第２所定値）以下に低下するまでの最長時間を予め実験等で求めておき、その時間を第２所定時間とし、再起動からの経過時間が第２所定時間を超えた際には再度アイドスルトップ状態とする。
【００９１】
このような処理を行う燃料電池システム制御装置２によるアイドルストップ制御処理の処理手順を図１４を参照して説明する。
【００９２】
第７実施形態では、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ３にてアイドルストップ状態でないと判定した場合にはステップＳ６１に処理を進め、アイドルストップ状態であると判定した場合にはステップＳ６２に処理を進める。
【００９３】
ステップＳ６１では、アイドルストップ解除時間経過に伴う再起動であることを示すフラグＦが１であるか否かを判定し、フラグＦが１でない場合にはアイドルストップ解除時間経過による再起動ではないと判定してステップＳ７に処理を進め、フラグＦが１である場合にはアイドルストップ解除時間経過による再起動であると判定してステップＳ６３に処理を進める。
【００９４】
ステップＳ６３においては、燃料電池システム制御装置２により、燃料電池スタック１の再起動に際して計測開始した時間が第２所定時間（再停止許可時間）を超えているか否かを判定することで、燃料電池スタック１内の凝縮水量が第２所定値以下となったか否かを判定する。燃料電池システム制御装置２により第２所定時間を経過していると判定した場合にはステップＳ６４に処理を進め、フラグＦを０に設定変更してステップＳ７に処理を進めて燃料電池スタック１をアイドルストップ状態にし、ステップＳ１４にてアイドルストップ状態とした時間の計測を開始してステップＳ１に処理を戻す。一方、燃料電池システム制御装置２により第２所定時間を経過していないと判定した場合には再度ステップＳ１に処理を戻して燃料電池スタック１の起動を継続する。
【００９５】
ステップＳ３においてアイドルストップ状態であると判定した後のステップＳ６２においては、燃料電池システム制御装置２により、ステップＳ１２と同様に、ステップＳ１４にて計測開始した時間が第１所定時間（アイドルストップ解除時間）を経過しているか否かを判定することで、燃料電池スタック１内の凝縮水量が第１所定値に達したか否かを判定する。燃料電池システム制御装置２により、第１所定時間を経過していると判定した場合には、ステップＳ６５に処理を進め、フラグＦを１に設定してステップＳ６６に処理を進める。
【００９６】
ステップＳ６６においては、燃料電池システム制御装置２により、上述のステップＳ６３にて再度燃料電池スタック１を再起動後に再度アイドルストップ状態にするための時間の計測を開始して、ステップＳ４に処理を進めて燃料電池スタック１を再起動させる。これにより、ステップＳ６３では、ステップＳ６６にて計測開始した時間と第２所定時間とを比較して、再起動後に再度燃料電池スタック１をアイドルストップ状態にする。
【００９７】
［第７実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第７実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１実施形態〜第６実施形態での処理を行ってアイドルストップ状態を解除して再起動させたときでも、再起動後に燃料電池スタック１内の凝縮水量が低下したことに応じて再度アイドルストップ状態にすることができ、第１実施形態〜第６実施形態の効果に加えて、燃費の向上を図ることができる。
【００９８】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態において、燃料電池スタックの動作を一旦停止したときの燃料電池温度の低下幅［℃］と燃料電池スタック１に蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す図である。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態において、燃料電池スタックの動作を一旦停止したときのアイドル停止時間［ｓｅｃ］と燃料電池スタックに蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す図である。
【図５】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】第３実施形態において、燃料電池スタックの温度に応じた、燃料電池スタックの動作を一旦停止したときのアイドル停止時間［ｓｅｃ］と燃料電池スタックに蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す図である。
【図７】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池スタックに供給するガス温度に応じた、燃料電池スタックの動作を一旦停止したときのアイドル停止時間［ｓｅｃ］と燃料電池スタックに蓄積する凝縮水量［ｇ］との関係を示す図である。
【図９】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】第５実施形態において、燃料電池温度及び外気温に対するアイドルストップ解除時間［ｓｅｃ］の変化を示す図である。
【図１１】本発明を適用した第５実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】第６実施形態において、燃料電池スタックの発電量［ｋＷ］に対するアイドルストップ解除時間［ｓｅｃ］の変化を示す図である。
【図１３】本発明を適用した第６実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】本発明を適用した第７実施形態に係る燃料電池システムのアイドルストップ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　燃料電池システム制御装置
３　コンプレッサ
４　空気加湿器
５　空気調整弁
６　コンプレッサモータ
７　回転センサ
８　空気圧力センサ
９　高圧水素ボンベ
１０　水素調圧弁
１１　エゼクタポンプ
１２　水素加湿器
１３　水素パージ弁
１４　水素圧力センサ
１５　燃料電池温度センサ
１６　外気温センサ
１７　ガス温度センサ

Claims (19)

1. 補機を駆動制御して燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムの制御装置であって、
   要求負荷が低下した場合に上記補機の動作を停止させて上記燃料電池スタックの発電を停止させ、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後に、上記燃料電池スタック内の凝縮水量が第１所定値を超えたと判定した場合に、上記燃料電池スタックを再起動させるように上記補機を制御駆動する制御手段を備えること
   を特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後の上記燃料電池スタックの温度低下に基づいて、上記燃料電池スタック内の凝縮水量を推定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の制御装置。
3. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後の停止時間が第１所定時間を超えた場合に凝縮水量が第１所定値を超えたと判定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の制御装置。
4. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における外気温に応じて、外気温が低いほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における燃料電池温度に応じて、燃料電池温度が高いほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における上記燃料電池スタックに供給するガス温度に応じて、上記燃料電池スタックに供給するガス温度が高いほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における外気温及び燃料電池温度に応じて、外気温が低く、燃料電池温度が高いほど、上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
8. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にする前における上記燃料電池スタックの発電量に応じて、上記燃料電池スタックの発電量が大きいほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
9. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にする前における上記燃料電池スタックの発電量を、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にする前の所定期間における発電量の平均値とすることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの制御装置。
10. 上記制御手段は、上記凝縮水量が第１所定値を超えた場合に上記燃料電池スタックを再起動させた後、上記燃料電池スタックの凝縮水量が第２所定値以下になり、且つ要求負荷が低負荷であると判定した場合に、上記燃料電池スタックを再度アイドルストップ状態に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の制御装置。
11. 上記制御手段は、上記凝縮水量が第１所定値を超えた場合に上記燃料電池スタックを再起動させた時からの経過時間が第２所定時間を超え、且つ要求負荷が低負荷である場合に、上記凝縮水量が第２所定値以下になったと判定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの制御装置。
12. 補機を駆動制御して燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムの制御装置であって、
    要求負荷が低下した場合に上記補機の動作を停止させて上記燃料電池スタックの発電を停止させ、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後に、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした後の経過時間が第１所定時間を超えたと判定した場合に、上記燃料電池スタックを再起動させるように上記補機を制御駆動する制御手段を備えること
    を特徴とする燃料電池システムの制御装置。
13. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における外気温に応じて、外気温が低いほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。
14. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における燃料電池温度に応じて、燃料電池温度が高いほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。
15. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における上記燃料電池スタックに供給しているガス温度に応じて、上記燃料電池スタックに供給しているガス温度が高いほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。
16. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にした時における外気温及び燃料電池温度に応じて、外気温が低く、燃料電池温度が高いほど、上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。
17. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にする前における上記燃料電池スタックの発電量に応じて、上記燃料電池スタックの発電量が大きいほど上記第１所定時間を短くすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。
18. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にする前における上記燃料電池スタックの発電量を、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にする前の所定期間における発電量の平均値とすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。
19. 上記制御手段は、上記燃料電池スタックをアイドルストップ状態にしてからの時間が第１所定時間を超えた場合の再起動後、第２所定時間を経過した場合に、上記燃料電池スタックを再度アイドルストップ状態にすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御装置。

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