JP2007080562A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムのアイドル停止許可方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アイドル停止に伴う排出燃料濃度を所定値以下に制御する燃料電池システムおよび燃料電池システムのアイドル停止許可方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池システムＳであって、燃料ガスと酸化剤ガスを供給されることで発電する燃料電池１と、燃料電池１から排出される燃料ガスをパージするパージ弁２２ａと、パージされた燃料ガスを酸化剤ガスと混合して大気に排出する希釈器４と、燃料電池１に対する酸化剤ガスの供給を停止してアイドル停止を行うとともに、希釈器４内の燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するか否かを判定するＥＣＵ５と、を備えるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムのアイドル停止許可方法に関し、詳しくは、アイドル停止を行う燃料電池システムおよび燃料電池システムのアイドル停止許可方法に関するものである。

近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極（アノード、カソード）で挟み込んだセルを積層して構成される。この燃料電池を備えた燃料電池システムでは、アノードに供給された水素（燃料ガス）が、触媒層で水素イオン化し、電子を放出する。この電子がカソードに向かって外部の回路を流れる際に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。水素イオンは、固体高分子型電解質膜を介してカソードに移動し、カソードに供給される空気（酸化剤ガス）と、外部回路を経由して届いた電子と結びついて、水が生成される。

このような燃料電池システムを搭載した車両においては、燃費改善を目的として、車速・出力・ブレーキ操作の状態に応じて、アイドル停止を許可する技術がある（例えば、特許文献１参照）。この技術では、車両のアイドル状態を検出したら、燃料電池に対する空気の供給を停止して燃料電池の発電を停止する。
特開２００１−３５９２０４号公報（段落００３４，００３５、図５）

ところで、燃料電池で化学反応しなかった水素オフガスは、希釈ボックスに排出され、空気によって希釈されてから、車外に排出（パージ）される。しかしながら、従来技術で、例えば、パージ直後にアイドル停止すると、つまり、コンプレッサの駆動を停止して空気の供給を停止すると、希釈ボックス内に溜まった水素オフガスが充分に希釈されることなく、徐々に車外に排出されるという問題があった。

そこで、本発明は前記した問題を解決し、アイドル停止に伴う排出燃料濃度を所定値以下に制御する燃料電池システムおよび燃料電池システムのアイドル停止許可方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスを供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料ガスをパージするパージ手段と、パージされた燃料ガスを酸化剤ガスと混合して大気に排出する混合器と、前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給を停止してアイドル停止を行うアイドル停止制御手段と、前記混合器内の燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するか否かを判定するアイドル停止許可判定手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、アイドル停止許可判定手段が、混合器内の燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するか否かを判定し、アイドル停止制御手段がアイドル停止制御を行う。これにより、燃料ガスの濃度が低下したと判断された場合のみアイドル停止を許可することで、アイドル停止中の排出燃料濃度を所定値以下に制御することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記パージ手段による前記燃料ガスのパージ量に応じて前記混合器に投入する酸化剤ガスの予定投入量を算出する予定投入量算出手段と、前記混合器に投入された酸化剤ガスの積算投入量を算出する積算投入量算出手段と、をさらに備え、前記アイドル停止許可判定手段は、前記積算投入量が前記予定投入量を超えないときは、前記アイドル停止を許可しないことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、積算投入量が予定投入量を超えないときは、アイドル停止を許可せず、禁止する。これにより、燃料ガスに対する酸化剤ガスの量が少なく、混合が不充分なときはアイドル停止されず、混合器内の燃料濃度の上昇を抑えられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムのアイドル停止許可方法であって、前記混合器内の燃料ガスの濃度を把握する濃度把握段階と、前記燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するアイドル停止許可判定段階と、前記アイドル停止許可判定により許可された後、前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給を停止するアイドル停止段階と、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、混合器内の燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するか否かを判定し、許可された後、アイドル停止制御を行う。これにより、燃料ガスの濃度が低下したと判断された場合のみアイドル停止を許可することで、アイドル停止中の排出燃料濃度を所定値以下に制御することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムのアイドル停止許可方法であって、前記パージ手段による前記燃料ガスのパージ量に応じて前記混合器に投入する酸化剤ガスの予定投入量を算出する予定投入量算出段階と、前記混合器に投入された酸化剤ガスの積算投入量を算出する積算投入量算出段階と、前記積算投入量が前記予定投入量を超えたときにアイドル停止を許可するアイドル停止許可判定段階と、前記アイドル停止許可判定により許可された後、前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給を停止するアイドル停止段階と、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、積算投入量が予定投入量を超えたときに、アイドル停止を許可する。これにより、燃料ガスに対する酸化剤ガスの量が多く、混合が充分であるときにのみアイドル停止されるので、混合器内の燃料濃度の上昇を抑えられる。

本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムのアイドル停止許可方法によれば、アイドル停止に伴う排出燃料濃度を所定値以下に制御することができる。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

図１に示す燃料電池システムＳは、電気自動車（燃料電池自動車）の動力源として利用されるもので、燃料電池１、この燃料電池１に水素ガス（燃料ガス）を供給する水素タンク２、燃料電池１に酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ３、燃料電池１から排出された水素ガスを希釈して大気中に放出する希釈器４（混合器）、コントロールユニットであるＥＣＵ５とを主に備えて構成される。

燃料電池１は、アノードとカソードの間に電解質である固体高分子電解質膜を挟んでなるセルを複数積層して構成される（図１では、単セルを示す）。この燃料電池１のアノード側のガス通路に水素ガスを供給し、カソード側のガス通路に空気を供給すると、アノードの触媒層で発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を介してカソードに移動し、カソードの触媒層で酸素と結びついて水が生成されるとともに、単セルで発電が行われる。なお、以下、水素ガスのガス通路を適宜アノード系といい、空気のガス通路を適宜カソード系という。

以下、燃料電池１に供給される水素ガスと空気の流れに沿って、燃料電池システムＳの他の各構成について説明する。

水素タンク２は、例えば、３５ＭＰａの高圧状態の水素を貯蔵するタンクであり、水素タンク２内から放出される水素ガスは、水素ガス供給通路２１を通じて、燃料電池１のアノード側のガス通路に供給される。また、燃料電池１内に供給された水素ガスのうち化学反応しきれなかった余りの水素を含む水素ガス（以下、「水素オフガス」という。）は、水素ガス排出通路２２を介して、後記する希釈器４に排出されるか、または、水素ガス循環通路２３を介して、水素ガス供給通路２１に戻されて循環使用される。

水素ガス供給通路２１には、上流側から順に、遮断弁２１ａ、エゼクタ２１ｂが配設されている。遮断弁２１ａは、開弁されることで水素タンク２内から水素ガスを放出し、閉弁されることで水素ガスの通流を遮断する。エゼクタ２１ｂは、水素ガス供給通路２１と水素ガス循環通路２３とを接続し、水素タンク２からの水素と燃料電池１から排出されて戻ってきた水素を混合させて燃料電池１に供給する。

水素ガス排出通路２２には、一端がエゼクタ２１ｂに接続された水素ガス循環通路２３の他端が接続されるとともに、その下流側にパージ弁２２ａ（パージ手段）が設けられている。パージ弁２２ａが、ＥＣＵ５からの指令により間欠的に開かれることによって、循環使用により窒素等の不純物が溜められた水素オフガスを排出することができる。

コンプレッサ３は、空気を圧縮する機械であり、コンプレッサ３で圧縮された空気は、空気供給通路３１を通じて、燃料電池１のカソード側のガス通路に供給される。また、燃料電池１内に供給された空気のうち化学反応しきれなかった余りの酸素を含む空気（以下、「空気オフガス」という。）は、空気排出通路３２を介して、後記する希釈器４に排出される。

空気供給通路３１には、ガス流量センサ３１ａが設けられるとともに、第１の希釈用ガス供給通路３３と、第２の希釈用ガス供給通路３４とが接続されている。ガス流量センサ３１ａは、コンプレッサ３から供給される空気流量を検出するセンサであり、例えば、ホットワイヤ式のエアフローメータ等を用いることができる。ホットワイヤ式のエアフローメータでは、電気的ブリッジ回路の一部として構成されるワイヤ（以下、ホットワイヤという。）を有し、このホットワイヤのワイヤ温度が吸入空気の温度より一定温度だけ高くなるように電流が流されている。ホットワイヤの放熱量は、吸入空気の流速が速いほど多くなり、温度差を一定に保つための電流値も高くなるので、ホットワイヤの電流値を検出することで、吸入空気の流量を計測することができる。このガス流量センサ３１ａの検出値はＥＣＵ５に入力され、ＥＣＵ５ではその積算量が随時加算される。

第１の希釈用ガス供給通路３３は、空気供給通路３１から希釈器４へ接続されて、空気供給通路３１から希釈用ガスである空気を希釈器４に直接供給可能になっている。

第２の希釈用ガス供給通路３４は空気供給通路３１から希釈器４へ接続されており、その経路中に常時は閉弁されているエアアシストバルブ３４ａが配設されている。第２の希釈用ガス供給通路３４は、第１の希釈用ガス供給通路３３よりも太い配管からなるガス通路で、エアアシストバルブ３４ａの開弁により、大流量の空気を希釈器４に供給可能になっている。これにより、短時間で水素オフガスの希釈を完了させることができる。

希釈器４は、空気排出通路３２と水素ガス排出通路２２の下流側に接続されている。希釈器４では、水素ガス排出通路２２から導入された水素オフガスを、空気排出通路３２から導入された空気オフガスで希釈して外部に排出する。

ＥＣＵ５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力回路を備えており、アイドル中であるときにアイドル停止要求信号を発し、ガス流量センサ３１ａから入力される検出値に基づき、アイドル停止を許可するか否かを判断する。ＥＣＵ５は、アイドル停止を許可する場合は、コンプレッサ３の駆動を停止するように制御する。また、ＥＣＵ５は、希釈器４に排出される水素オフガスを希釈するために充分な空気量である希釈完了量（予定投入量）を設定する。

さらに、ＥＣＵ５は、水素オフガスのパージ完了直後から、ガス流量センサ３１ａから入力される検出値に基づいて、空気排出通路３２および第１の希釈用ガス供給通路３３から希釈器４に排出される空気量を算出するとともに、これを積算してエア積算量（積算投入量）とする。そして、アイドル停止要求時、このエア積算量に基づいて、エアアシストバルブ３４ａを開弁するか否かを判断する。なお、エアアシストバルブ３４ａが開弁された場合、ガス流量センサ３１ａから入力される検出値に基づいて、空気排出通路３２、第１の希釈用ガス供給通路３３および第２の希釈用ガス供給通路３４における圧損の比率から希釈器４に排出される空気量が算出され、これを積算してエア積算量とする。
その他、ＥＣＵ５は、遮断弁２１ａやパージ弁２２ａの駆動を制御する。このＥＣＵ５は、［特許請求の範囲］の「アイドル停止制御手段」、「アイドル停止許可判定手段」、「予定投入量算出手段」、「積算投入量算出手段」に相当する。

なお、アイドル停止とは、燃料電池１がアイドル中と判断されたときに、燃費改善を目的として、コンプレッサ３の駆動を停止し、燃料電池１の発電を停止させた状態をいう。また、アイドル中とは、燃料電池１の電気負荷（例えば、走行用モータ、補機等の消費電力）が低い状態、またはゼロの状態を意味し、例えば、搭載される車両において、車速ゼロ、フットブレーキオン、アクセルペダルオフである場合、または、クルーズ走行中である場合等が挙げられる。

ここで、図２（適宜、図１）を参照しながら、ＥＣＵ５におけるアイドル停止の許可方法について説明する。図２は、本実施形態におけるアイドル停止の許可方法を示すフローチャートである。

図２に示すように、ＥＣＵ５では、パージ弁２２ａの開閉状態により、水素オフガスがパージ中であるか否かを判断する（ステップＳ１）。パージ弁２２ａが開弁され、パージ中である場合（ステップＳ１でＹｅｓ）、水素オフガスを希釈するために必要とされる希釈完了量がセットされるとともに（ステップＳ２）、エア積算量がリセットされる（ステップＳ３）。そして、アイドル停止はされないまま（ステップＳ４）、エア積算量を加算した後（ステップＳ１２）、‘ＳＴＡＲＴ’からの処理を繰り返す。つまり、パージ中である場合は、アイドル停止されることはなく、この一連の処理が繰り返されることで、パージ完了後からエア積算量が加算されるようになっている。

一方、パージ中でない場合（ステップＳ１でＮｏ）、アイドル停止の要求があるか否かが判断される（ステップＳ５）。アイドル停止要求がない場合は（ステップＳ５でＮｏ）、アイドル停止を許可せず（ステップＳ６）、エア積算量を加算した後（ステップＳ１２）、‘ＳＴＡＲＴ’からの処理を繰り返す。

アイドル停止要求がある場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、エア積算量がステップＳ２で設定した希釈完了量を超えているか否かを判断する（ステップＳ７）。エア積算量が希釈完了量以下である場合は（ステップＳ７でＮｏ）、このままアイドル停止を開始すると希釈器４内における水素濃度が高くなって排出水素濃度が高くなるため、エアアシストバルブ３４ａを開弁し（ステップＳ８）、大流量の空気を希釈器４に送り込むとともに、アイドル停止を不許可とする（ステップＳ９）。そして、エア積算量を加算した後（ステップＳ１２）、‘ＳＴＡＲＴ’からの処理を繰り返す。

エア積算量が希釈完了量を超えている場合（ステップＳ７でＹｅｓ）、希釈器４内での希釈は完了していると判断して、エアアシストバルブ３４ａが開いている場合は閉弁した後（ステップＳ１０）、アイドル停止を許可する（ステップＳ１１）。そして、エア積算量を加算した後（ステップＳ１２）、‘ＳＴＡＲＴ’からの処理を繰り返す。本実施形態では、このように、エア積算量から希釈器４内の希釈完了を把握し、アイドル停止を許可するか否かが判断される。

以上によれば、本実施形態において以下の効果を得ることができる。
本実施形態に係る燃料電池システムＳでは、エア積算量が希釈完了量を超えた場合のみ、つまり、希釈器４内における希釈が完了し、水素濃度が低下したと判断される場合のみ、アイドル停止を許可するので、アイドル停止中の排出水素濃度を所定値以下に制御することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システムＳでは、エア積算量が希釈完了量以下の場合は、エアアシストバルブ３４ａを開弁することで大流量の空気を希釈器４に送り込むことができるので、短時間で希釈を完了させることができる。その結果、短時間でアイドル停止に入ることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実施することができる。

前記実施形態では、ガス流量センサ３１ａを空気供給通路３１に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、空気排出通路３２、第１の希釈用ガス供給通路３３、および第２の希釈用ガス供給通路３４における希釈器４の直近にそれぞれ設けるものであってもよい。これらから検出される検出値を適宜加算、積算することで、希釈器４内に送り込まれたエア積算量を算出することができる。

前記実施形態では、ガス流量センサとしてホットワイヤ式のエアフローメータを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々のガス流量センサを用いることができる。

前記実施形態では、エア積算量に基づいて希釈器４における希釈完了を判断したが、本発明はこれに限定されず、パージ直後からの時間経過をパラメータとすることもできる。具体的には、パージ直後からの経過時間をカウンタで計測し、一定時間の経過により希釈が充分にされていると判断して、アイドル停止を許可するように構成することができる。

前記実施形態では、希釈完了量を固定値として設定したが、本発明はこれに限定されず、固定値に限られず、適宜状況に合わせて変えられるものであってもよい。

本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本実施形態におけるアイドル停止の許可方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素タンク
３ コンプレッサ
４ 希釈器（混合器）
５ ＥＣＵ
２１ 水素ガス供給通路
２１ａ 遮断弁
２１ｂ エゼクタ
２２ 水素ガス排出通路
２２ａ パージ弁
２３ 水素ガス循環通路
３１ 空気供給通路
３１ａ ガス流量センサ
３２ 空気排出通路
３３ 第１の希釈用ガス供給通路
３４ 第２の希釈用ガス供給通路
３４ａ エアアシストバルブ
Ｓ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される燃料ガスをパージするパージ手段と、
   パージされた燃料ガスを酸化剤ガスと混合して大気に排出する混合器と、
   前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給を停止してアイドル停止を行うアイドル停止制御手段と、
   前記混合器内の燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するか否かを判定するアイドル停止許可判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記パージ手段による前記燃料ガスのパージ量に応じて前記混合器に投入する酸化剤ガスの予定投入量を算出する予定投入量算出手段と、
   前記混合器に投入された酸化剤ガスの積算投入量を算出する積算投入量算出手段と、をさらに備え、
   前記アイドル停止許可判定手段は、前記積算投入量が前記予定投入量を超えないときは、前記アイドル停止を許可しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムのアイドル停止許可方法であって、
   前記混合器内の燃料ガスの濃度を把握する濃度把握段階と、
   前記燃料ガスの濃度に応じてアイドル停止を許可するアイドル停止許可判定段階と、
   前記アイドル停止許可判定により許可された後、前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給を停止するアイドル停止段階と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムのアイドル停止許可方法。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムのアイドル停止許可方法であって、
   前記パージ手段による前記燃料ガスのパージ量に応じて前記混合器に投入する酸化剤ガスの予定投入量を算出する予定投入量算出段階と、
   前記混合器に投入された酸化剤ガスの積算投入量を算出する積算投入量算出段階と、
   前記積算投入量が前記予定投入量を超えたときにアイドル停止を許可するアイドル停止許可判定段階と、
   前記アイドル停止許可判定により許可された後、前記燃料電池に対する酸化剤ガスの供給を停止するアイドル停止段階と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムのアイドル停止許可方法。

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