JP2007109570A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アイドルストップ時の空気供給制御を改善して、発電遅れを抑制することにある。
【解決手段】燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態時に、予め設定された初動回転数で空気コンプレッサ２１２の稼動を開始した後、空気コンプレッサ２１２の回転数を漸次低下させて燃料電池スタック２０１に空気を供給制御して構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、アイドルストップ状態時における動作制御を改善した燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池を搭載した燃料電池車両では、燃料ガスを効率的に利用するため、燃料電池と２次電池とを併用して、適宜使い分ける制御を行う場合がある。例えば、通常時には両者を併用して車両の駆動源であるモータに電力を供給するが、低速走行時やアイドリング時等の低負荷や燃料電池の発電効率が低くなるような運転状態時には、燃料電池システム全体の稼動を停止状態にすることなく、発電に直接係わる空気コンプレッサ等の燃料電池駆動用補機類の動作を停止して燃料電池による発電を停止し燃料電池をアイドルストップ状態とし、２次電池のみからの給電によりモータを駆動するといった制御を行っている。

このようなアイドルストップ機能を備えた燃料電池システムでは、アイドルストップ中は、燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気（酸素）の供給が停止されているので、電解質膜を介してアノード極の残留水素がカソード極に透過する。これにより、透過した水素がカソード極の空気と反応し、カソード極の空気の濃度が低下する。

カソード極の空気濃度が低下すると、燃料電池システムがアイドルストップ状態から通常の発電状態に復帰する際に、カソード極で空気不足となり、発電遅れが生じするおそれがあった。また、カソード極の空気が不足すると、燃料電池のセル電圧が低下し、燃料電池から電流の取り出しを制御するＰＭ（パワーマネージャー）の入力電圧が低下して定格値を下回り、ＰＭの電流取り出し制御に不具合を生じるおそれがあった。

このような不具合を回避するために、燃料電池システムのアイドルストップ中にカソード極に定期的（間欠的）に空気を供給する、例えば以下に示す文献に記載された技術が知られている（特許文献１参照）。

この文献１に記載された技術では、簡潔運転モードで燃料電池の発電を停止しているときに、所定期間が経過する毎に所定の時間空気コンプレッサを駆動して燃料電池に空気を定期的に供給し、カソード極の空気不足を回避している。
特開２００４−１７２０２８

このような従来の燃料電池システムにおいて、空気コンプレッサの回転数を一定にして空気を供給した場合には、カソード極の入口側のセルの電圧が上昇してセルの劣化を促進させない電圧に達した時点で空気コンプレッサを停止して空気の供給を停止することになる。

しかし、このような空気コンプレッサの稼動制御では、カソード極の出口側のセルに十分に空気が行き渡らないおそれがある。これにより、カソード極の出口側のセル電圧が十分に上昇せず、出口側のセルでは空気コンプレッサが停止して空気の供給が停止したときに、出口側のセル電圧は入口側に比べて低い状態となる。したがって、アイドルストップ状態の解除後の発電時に出口側のセルの電圧の上昇が遅れ、発電遅れを招くおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アイドルストップ時の空気供給制御を改善して、発電遅れを抑制した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、コンプレッサにより供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止し、前記燃料電池スタックの発電を停止してシステムをアイドルストップ状態とする燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、予め設定された初動回転数で前記コンプレッサの稼動を開始した後、前記コンプレッサの回転数を漸次低下させて前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給制御する制御手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、カソード極における酸化剤ガスの密度分布を概ね均一化することが可能となる。これにより、空気供給停止後のセル電圧を高く保つことができ、アイドルストップ状態が解除されて発電が開始された際の発電遅れを防止することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の基本構成を示す図であり、図２は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

図１において、燃料電池車両は、車両本体１０１に駆動電源として燃料電池システム１０２を搭載してなるものであり、更にインバータ１０３、駆動モータ１０４、駆動輪１０５、車速センサ１０６、２次電池１０７、リレー１０８ならびに制御コントローラ１０９を備えている。また、燃料電池車両は、車両のシフト位置を検出するシフト位置センサ１１１、ブレーキの有無を検出するブレーキセンサ１１２、ならびにアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ１１３を備えている。

燃料電池システム１０２は、駆動モータ１０４が消費する電力や２次電池１０７の充電に必要な電力が発電できるように、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの水素や酸化剤ガスの空気の圧力、ならびに流量等が図２に示す圧力調整弁、コンプレッサ等で制御される。

インバータ１０３は、燃料電池システム１０２で発電される直流電力を交流電力に変換し、制御コントローラ１０９から指示される駆動モータ１０４を駆動する出力トルクとなるように、駆動モータ１０４を制御する。

駆動輪１０５は、駆動モータ１０４と機械的に接続されており、駆動モータ１０４で得られた駆動トルクが伝達されて、駆動力を発生させて車両を駆動する。車速センサ１０６は駆動輪１０５の回転速度を検出する。

２次電池１０７は、車両のアイドリング時や燃料電池システムのアイドルストップ時など、燃料電池システム１０２から電力が供給されない場合に、駆動モータ１０４や、燃料電池システム１０２が発電するために必要となる補機の圧力調整弁やコンプレッサに電力を供給する。２次電池１０７には、２次電池１０７の電圧を検出する電圧センサ１１４ならびに電流を検出する電流センサ１１５が設けられており、この電圧センサ１１４ならびに電流センサ１１５で検出された電圧ならびに電流に基づいて、２次電池１０７の充電量が推定される。

リレー１０８は、制御コントローラ１０９からの指令に基づいて、燃料電池システム１０２と負荷とを接続／切断する。

制御コントローラ１０９は、本燃料電池車両の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御コントローラ１０９は、本車両における上記各センサならびにこれらのセンサで得られない燃料電池車両の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本車両の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、本車両のアイドリングストップ移行後の燃料電池システム１０２の動作処理を含む本車両の運転／停止動作に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

次に、図２を参照して、燃料電池システム１０２について説明する。

燃料電池システムの構成を示す図２（ａ）において、燃料電池システム１０２は、発電を行う燃料電池スタック２０１と、この燃料電池スタック２０１に燃料ガスである水素（あるいは水素リッチガス）を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック２０１に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するための空気供給系とを有している。

燃料電池スタック２０１は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。

燃料電池スタック２０１の水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック２０１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

水素供給系は、水素供給手段から供給される水素を水素極通路を介して燃料電池スタック２０１の水素極へと導く。すなわち、この実施例１の水素供給系は、水素供給手段として水素を高圧で貯蔵する水素タンク２０２、燃料電池スタック２０１で行われる発電に必要となる水素が燃料電池スタック２０１に供給されるように燃料電池スタック２０１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁２０３、燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスをエゼクタ２０４を介して燃料電池スタック２０１の入口側に戻すために水素オフガスを水素循環配管２０５を循環させる水素循環ポンプ２０６、ならびに水素極通路となる水素供給配管２０７を有している。

水素供給源である水素タンク２０２から供給される水素ガスは、水素調圧弁２０３を通って水素供給配管２０７へと送り込まれ、燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。このとき、水素調圧弁２０３は、燃料電池スタック２０１の水素極及び水素極通路内の圧力が負荷に応じた圧力となるように、供給される水素ガスの圧力を調整している。

燃料電池スタック２０１では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスは、水素循環配管２０５を通って水素循環ポンプ２０６により循環され、エゼクタ２０４で新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。これにより、水素のストイキ比（供給流量／消費流量）を１以上にすることができ、セル電圧が安定化する。

燃料電池スタック２０１の空気供給系は、空気供給手段からの空気を空気極通路によって燃料電池スタック２０１の空気極（カソード極）へと導く。すなわち、実施例１の空気供給系は、空気供給手段としての空気コンプレッサ２１２ならびに空気調圧弁２１３と、空気極通路となる空気流通配管２１４を有している。

空気コンプレッサ２１２は、燃料電池スタック２０１の空気極に空気を送り込むものであり、例えばモータ駆動により圧縮した空気を空気流通配管２１４を通して燃料電池スタック２０１の空気極へと供給する。空気コンプレッサ２１２には、コンプレッサの回転数を検出する回転数センサ２１６が設けられいる。

空気調圧弁２１３は、空気コンプレッサ２１２によって燃料電池スタック２０１に供給される空気の圧力ならびに流量を調整制御する開度可変弁で構成され、燃料電池スタック２０１のカソード極の出口側の空気流通配管２１４に設けられている。空気調圧弁２１３は、燃料電池スタック２０１のカソード極及び空気流通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、空気コンプレッサ２１２によって供給される空気の圧力を調整している。

上述した固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタック２０１は、適正な作動温度が８０℃前後と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。このため、通常は燃料電池スタック２０１内に冷却水を循環させて燃料電池スタック２０１を冷却し、燃料電池スタック２０１を最適な温度に維持する冷却機構（図示せず）が設けられている。

また、燃料電池システムは、電圧センサ２２３、ＰＭ（パワーマネージャー）２２４ならびにシステム制御部２２５（制御手段）を備えている。電圧センサ２２３は、燃料電池スタック２０１のセルのカソード極の入口側と出口側に設けられており、セルのカソード極の入口側と出口側の電圧を検出してシステム制御部２２５に与える。

ＰＭ２２４は、システム制御部２２５から与えられる制御指令に基づいて、燃料電池スタック２０１の発電で得られた電流の取り出しを制御し、燃料電池スタック２０１から取り出した電流を駆動モータ１０４や２次電池１０７等の負荷に供給する。ＰＭ２２４は、燃料電池スタック２０１から取り出される電流の値を検出する電流センサ（図示せず）を備え、この電流センサで検出された取り出し電流値はシステム制御部２２５に与えられる。

システム制御部２２５は、本燃料電池システム１０２の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現され、例えば図１に示す制御コントローラ１０９の一部機能として実現される。システム制御部２２５は、本燃料電池システム１０２における上記各センサ類、ならびにこれらのセンサ類で得られない燃料電池システム１０２の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、空気コンプレッサ２１２、空気調圧弁２１３、ＰＭ２２４を含む燃料電池システム１０２の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における動作を含む、燃料電池システム１０２の運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

燃料電池システム１０２をアイドルストップ状態に移行する動作は、図３のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。

図３において、先ず水素調圧弁２０３を閉じて燃料ガスの水素の供給を停止した後（ステップＳ３１）、燃料電池スタック２０１の水素の圧力が所定の圧力以下、例えば大気圧よりも低い所定の負圧にする減圧処理を行う（ステップＳ３２）。その後、水素圧が所定の圧力以下になったか否かを判別し（ステップＳ３３）、所定の圧力以下になると、減圧処理が終了したものとする（ステップＳ３４）。そして、水素循環ポンプ２０６の駆動を停止し、空気コンプレッサ２１２の駆動を停止するとともに空気調圧弁２１３を閉じて空気の供給を停止し（ステップＳ３５）、冷却水を停止する（ステップＳ３６）。これにより、燃料電池スタック２０１の発電を停止し、燃料電池システムをアイドルストップ状態に移行する。

このように、燃料電池システムをアイドルストップ状態にすることで、水素循環ポンプ２０６や空気コンプレッサ２１２の補機類の運転を止め、燃費の向上に加えて、音振性能の向上、低消費電力化を図っている。

燃料電池システムのアイドルストップ状態を解除して発電を再開する手順は、図４に示すフローチャートにしたがって行われる。

図４において、先ず水素調圧弁２０３を開いて水素の供給を開始するとともに（ステップＳ４１）、空気コンプレッサ２１２を駆動し空気調圧弁２１３を開き空気の供給を開始する（ステップＳ４２）。その後、発電を開始するとともに（ステップＳ４３）、冷却水の供給を開始する（ステップＳ４４）。これにより、ＰＭ２２４の制御の下に燃料電池スタック２０１から電流が取り出され、燃料電池システム１０２はアイドルストップ状態から通常の発電状態に戻る。

次に、このようなアイドルストップ機能を備えた燃料電池システム１０２において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態にあるときの、燃料電池スタック２０１のカソード極への空気の供給制御について説明する。

図５はアイドルストップ状態における燃料電池システム１０２の空気供給系を構成する空気コンプレッサ２１２の制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御手順は、システム制御部２２５の制御の下に行われる。

図５において、先ず燃料電池スタック２０１の発電が停止して燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態であるか否かを判別する（ステップＳ５１）。判別の結果、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態である場合には、続いて、空気コンプレッサ２１２が稼動されているか否かを判別する（ステップＳ５２）。判別の結果、空気コンプレッサ２１２が稼動されていない場合には、引き続いて空気コンプレッサ２１２の稼動条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ５３）。

ここで、空気コンプレッサ２１２を稼動するか否かの判別要件は、様々に考えられるが、例えば燃料電池スタック２０１のセルに設けられた電圧センサ２２３で検出されたセルのセル電圧が予め設定された下限電圧に達したか否かとして設定される。この下限電圧は、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態から通常の発電状態に復帰する際の、カソード極の空気不足による発電遅れや、ＰＭ２２４の仕様によって決まるＰＭ２２４の定格入力電圧を確保できる電圧に設定される。なお、セル電圧とカソード極の空気不足との関係は、予め実験や机上検討等によって取得し、取得した関係に基づいて空気不足とならないセル電圧を設定する。

ステップＳ５３の判別の結果、空気コンプレッサ２１２の稼動条件が成立した場合には、空気調圧弁２１３を開放した後空気コンプレッサ２１２を正転回転で稼動してカソード極の入口側から出口側（図２（ａ）の矢印Ａで示す方向）へと空気を供給する（ステップＳ５４）。

空気コンプレッサ２１２の稼動を開始したときには、図６のタイミングチャートに示すように、先ず空気コンプレッサ２１２を予め設定された高い回転数の初動回転数で空気コンプレッサ２１２を駆動し、その後空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々（漸次）に低下させて停止する。このとき、初動回転数は、例えば所定時間（例えば１秒程度）で上記下限電圧から後述する上限電圧までセル電圧を上昇させるだけの空気を供給可能な回転数として設定され、この回転数は実験等により予め取得する。その後の空気コンプレッサ２１２の回転数は、カソード極の出口側のセル電圧の上昇に基づいて低下制御される。

また、空気コンプレッサ２１２を稼動した後、空気濃度（酸素濃度）に応じてセル電圧は上昇するが、電圧の高い空気の導入口側のセル電圧、図６では入口側のセル電圧が上限電圧を超えないように空気コンプレッサ２１２の稼動時間や回転数を制御する。ここで、上限電圧は、セルの仕様によって異なるが、セルの劣化が促進されない電圧値に設定される。

このように、空気コンプレッサ２１２の稼動開始時に高回転で空気コンプレッサ２１２を駆動して空気を供給することで、短時間でカソード極の出口側にも入口側と同等に空気を十分に行き渡らせることが可能となる。その後、セル電圧に応じて空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させることで、セル電圧の上昇を抑制して、セル電圧が上限電圧以上になるのを防止することができる。これにより、カソード極の空気の入口と出口間の酸素濃度分布が概ね均一化し、セルの劣化を促進させる上限電圧を超えない範囲で空気供給停止時の入口側と出口側のセル電圧を十分に高めるることができ、かつ従来に比べて空気を供給する頻度を少なくしてこれらの作用効果を実現することができる。したがって、アイドルストップ状態が解除されて発電を開始した際の発電遅れを防止することができる。

これに対して、空気コンプレッサ２１２の回転数を一定とする従来の制御手法においては、図７のタイミングチャートに示すように、出口側のセルに空気が十分に行き渡らずセル電圧が十分に上昇しきらない状態で、入口側のセルのセル電圧が上限電圧に至り空気コンプレッサ２１２が停止しまうため、停止後出口側のセルのセル電圧が下限電圧に達する時間が短くなる。したがって、セル電圧が下限電圧を下回らない、もしくは下回っても短時間となるようにするためには、空気コンプレッサ２１２を稼動させる間隔を短くして回数を増やす必要がある。この場合には、空気コンプレッサ２１２の消費電力が増大したり、騒音の回数が多くなるという不具合が生じるおそれがある。しかし、この実施例では、このような不具合を回避することができ、従来に比べて有利な効果を奏することができる。

図５に戻って、先のステップＳ５２の判別結果において、空気コンプレッサ２１２が稼動していると判別された場合には、続いて稼動している空気コンプレッサ２１２を停止する停止条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ５５）。

ここで、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するか否かの判別要件は、先にも触れたようにセル電圧が上記上限電圧を超えないように設定され、例えばセル電圧が上限電圧に達したか否かとして設定される。

ステップＳ５５の判別の結果、空気コンプレッサ２１２の停止条件が成立した場合には、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止してカソード極への空気の供給を停止する（ステップＳ５６）。一方、先のステップＳ５１の判別結果において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態でない場合には、空気コンプレッサ２１２は通常運転時の制御が行われる（ステップＳ５７）。

次に、本発明の実施例２について説明する。この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１で説明した空気コンプレッサ２１２の制御に加えて、燃料電池スタック２０１の取り出し電流を制御したことにあり、燃料電池システム１０２の構成は図２と同様である。

図８はアイドルストップ状態においてＰＭ２２４による電流取り出しの制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す制御手順は、ＰＭ２２４へのシステム制御部２２５の制御指令の下に行われる。

図８において、先ず燃料電池スタック２０１の発電が停止して燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態であるか否かを判別する（ステップＳ８１）。判別の結果、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態である場合には、続いて、ＰＭ２２４で燃料電池スタック２０１から電流が取り出されているか否かを判別する（ステップＳ８２）。判別の結果、電流が取り出されていない場合には、引き続いて燃料電池スタック２０１から電流を取り出す取り出し条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ８３）。

ここで、電流を取り出すか否かの判別要件は、空気コンプレッサ２１２の稼動中にセル電圧が上記上限電圧に達した否かとして設定される。

ステップＳ８３の判別の結果、セル電圧が上記上限電圧に達して電流の取り出し要件が成立した場合には、ＰＭ２２４で燃料電池スタック２０１から電流を取り出す（ステップＳ８４）。図９のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動中に、セル電圧が上限電圧以上となる分（同図の破線で示す）を電流として取り出すことで、セル電圧を低下させて上限電圧を超えないように制御する。

これにより、入口側ならびに出口側のセルのセル電圧を上限電圧に近い値まで十分に上昇させても、空気コンプレッサ２１２の回転数の制御精度や空気の流通遅延等の影響によるセル電圧が上限電圧を上回るオーバーシュートを回避することが可能となる。

図８に戻って、先のステップＳ８２の判別結果において、電流が取り出されている場合には、続いて電流の取り出し停止要件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ８５）。

電流を取り出した際の電流値は、セル電圧が上限電圧を超える分だけの値となり、電流を取り出してセル電圧が上限電圧以下になることで取り出し電流も０となる。したがって、電流の取り出しの停止要件は、セル電圧が上限電圧以下になったことに設定される。

ステップＳ８５の判別の結果、電流の取り出し停止要件が成立した場合には、電流の取り出しが停止される（ステップＳ８６）。これにより、セル電圧が上限電圧を上回ることは回避される。

一方、先のステップＳ８１の判別結果において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態でない場合には、ＰＭ２２４による電流の取り出しは通常運転時の制御が行われる（ステップＳ８７）。

一方、図１０のタイミングチャートに示すように、電流の取り出し制御と併用して、カソード極の出口側のセルの電圧に基づいて、空気コンプレッサ２１２の回転数を低下制御するようにしてもよい。すなわち、入口側のセルのセル電圧が上限電圧を上回らない範囲で出口側のセルのセル電圧がをきる限り上限電圧近くまで到達するように空気コンプレッサ２１２を稼動する。このとき、空気コンプレッサ２１２を停止した直後に出口側のセルのセル電圧がオーバーシュートして上限電圧を超えないようにするために、セル電圧が上限電圧に近づくにつれて空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させる。

一方、入口側のセルのセル電圧は、出口側のセルのセル電圧が上限電圧に達する以前に上限電圧に達するので、上限電圧を超える分を電流として取り出して入口側のセルのセル電圧が上限電圧を超えないように制御する。このとき、出口側のセルのセル電圧は電流の取り出しにより上昇速度が鈍るが、基本的に電圧の高い入口側のセルからより多くの電流が取り出されるため、入口側と出口側のセルのセル電圧の差は縮まる方向に向かう。

このような制御手法を採用することで、セル電圧が上限電圧を上回ることなく、出口側のセルのセル電圧も入口側のセルのセル電圧と同様に上限電圧に近い値まで上昇させることが可能となる。

また、空気コンプレッサ２１２の稼動開始時には、空気調圧弁２１３を全開状態として空気を供給し、その後空気調圧弁２１３を閉塞もしくは開度を絞り、供給される空気の流量を減少させる制御手法を採用してもよい。

すなわち、図１１のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動開始時には、空気調圧弁２１３を全開にすることで、出口側に空気を送り込みセル電圧を上昇し易くする。これにより、入口側と出口側のセルのセル電圧の差がつきにくくなる。その後、入口側のセルのセル電圧が上限電圧に達して空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させていく過程で、空気調圧弁２１３を閉塞もしくは開度を絞り、カソード極から排出される空気の量を減少させて出口側のセルの空気密度を高める。これにより、出口側のセルのセル電圧の上昇は持続し、短時間で出口側のセルのセル電圧を上限電圧もしくは上限電圧近くまで上昇させることが可能となる。

次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例３の特徴とするところは、先の実施例１の制御手法に比べて、空気コンプレッサ２１２の回転数を一定とし、空気コンプレッサ２１２の回転方向を変える制御手法を採用したことにあり、他は実施例１と同様である。なお、この実施例３は先の実施例２と併用してもよく、また空気コンプレッサ２１２の回転数を先の実施例１と同様に制御してもよい。

図２に示す燃料電池システムの構成において、空気コンプレッサ２１２は、その回転方向が正転と逆転とに変更可能に構成され、例えば正転時は燃料電池スタック２０１のカソード極の入口側から出口側（図２の矢印Ａで示す、空気コンプレッサ２１２から空気調圧弁２１３への方向）へ空気を流通させ、そのときのカソード極の空気密度は、図２（ｂ）のＡに示すように、入口側から出口側にかけて密度が概ね低下するような状態となる。一方、空気コンプレッサ２１２の逆転時には燃料電池スタック２０１のカソード極の出口側から入口側（図２の矢印Ｂで示す、空気調圧弁２１３から空気コンプレッサ２１２への方向）へ空気を流通させ、そのときのカソード極の空気密度は、図２（ｂ）のＢに示すように、出口側から入口側にかけて密度が概ね低下するような状態となる。ここで、入口側とは空気コンプレッサ２１２が正転時にカソード極に空気が導入される側とする。

システム制御部２２５は、アイドルストップ状態時における空気コンプレッサ２１２の回転方向（正転／逆転）を検知して、その回数（頻度）をカウントするカウント機能を備え、カウントした頻度に基づいて空気コンプレッサ２１２の回転方向を制御する。

このような構成において、例えば図１２のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の回転方向を稼動毎に変えて正転と逆転を交互に繰り返えして空気コンプレッサ２１２を稼動制御する。これにより、カソード極の入口側と出口側とで酸素濃度の均一化が図られ、入口側のセルのセル電圧と出口側のセルのセル電圧との間の電圧差を縮小することが可能なり、双方のセル電圧を上限電圧まで効率よく上昇させることができる。

また、入口側のセルのセル電圧と出口側のセルのセル電圧との間で、空気の導入方向で電位差が生じやすい場合には、電位が生じやすい方向からの空気の導入回数が多くなるように空気コンプレッサ２１２の回転方向を設定する。例えば、カソード極の出口側から入口側（図２（ａ）のＢで示す方向）に空気を導入した場合は、入口側から出口側（図２（ａ）のＡで示す方向）に空気を導入した場合に比べて電位差が生じやすい場合には、図１３のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の回転方向を変える頻度を１回の正転方向に対して連続した２回の逆転方向というように設定する。これにより、入口側と出口側のセルのセル電圧差を効率よく縮小し、入口側と出口側の両セル電圧を上限電圧もしくは上限電圧に近い電圧にまで上昇させることができる。

さらに、燃料電池スタックの構造等に起因するカソード極への空気の導入のしやすさを予め実験等で求め、この空気の導入のしやすさに基づいて、空気の導入のしやすい方向での空気の導入頻度が少なくなるように、空気コンプレッサ２１２の回転方向を変える頻度を決めるようにしてもよい。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムのアイドルストップ状態への移行手順を示すフローチャートである。 燃料電池システムのアイドルストップ状態の解除手順を示すフローチャートである。 アイドルストップ状態時の空気コンプレッサの制御手順を示すフローチャートである。 実施例１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数のタイミングチャートである。 従来ににおけるセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数のタイミングチャートである。 電流取り出しの制御手順を示すフローチャートである。 実施例２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流のタイミングチャートである。 実施例２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流の他のタイミングチャートである。 セル電圧、空気コンプレッサ回転数、取り出し電流ならびに空気調圧弁開度のタイミングチャートである。 実施例３に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数のタイミングチャートである。 実施例３に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数の他のタイミングチャートである。

符号の説明

１０１…車両本体
１０２…燃料電池システム
１０３…インバータ
１０４…駆動モータ
１０５…駆動輪
１０６…車速センサ
１０７…２次電池
１０８…リレー
１０９…制御コントローラ
１１１…シフト位置センサ
１１２…ブレーキセンサ
１１３…アクセル開度センサ
１１４，２２３…電圧センサ
１１５…電流センサ
２０１…燃料電池スタック
２０２…水素タンク
２０３…水素調圧弁
２０４…エゼクタ
２０５…水素循環配管
２０６…水素循環ポンプ
２０７…水素供給配管
２１２…空気コンプレッサ
２１３…空気調圧弁
２１４…空気流通配管
２１６…回転数センサ
２２４…ＰＭ（パワーマネージャー）
２２５…システム制御部

Claims (10)

1. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、コンプレッサにより供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止し、前記燃料電池スタックの発電を停止してシステムをアイドルストップ状態とする燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、予め設定された初動回転数で前記コンプレッサの稼動を開始した後、前記コンプレッサの回転数を漸次低下させて前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給制御する制御手段
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのセル電圧を計測する電圧計測手段と、
   前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの圧力、流量を調整する調圧弁を備え、
   前記制御手段は、前記コンプレッサの稼動開始時に前記調圧弁を開放し、その後前記電圧計測手段で計測された燃料電池セルのセル電圧が予め設定された所定電圧に達したときに、前記コンプレッサを稼動した状態で前記調圧弁を閉塞もしくは開度を絞る
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、コンプレッサにより供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止し、前記燃料電池スタックの発電を停止してシステムをアイドルストップ状態とする燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、前記コンプレッサの回転方向を変えて前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの導入方向を変え、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給制御する制御手段
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記コンプレッサの回転方向を前記コンプレッサの稼動毎に正転／逆転を交互に繰り返し制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記コンプレッサの回転方向を変化させる頻度を、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスが入りやすい方向に基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのセル電圧を計測する電圧計測手段を備え、
   前記制御手段は、コンプレッサの回転方向を変化させる頻度を、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの一方の酸化剤ガス導入／排出口側の燃料電池セルのセル電圧と、他方の酸化剤ガス導入／排出口側の燃料電池セルのセル電圧との差に基づいて設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、予め設定された初動回転数で前記コンプレッサの稼動を開始した後、前記コンプレッサの回転数を漸次低下させる
   ことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのセル電圧を計測する電圧計測手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池セルのセル電圧が予め設定された上限電圧以下となるように前記コンプレッサを稼動制御する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記上限電圧は、燃料電池セルの劣化が促進されない電圧値に設定される
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックの発電で得られた電流を前記燃料電池スタックから取り出す電流取り出し手段を備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池セルのセル電圧が予め設定された上限電圧以下となるように前記電流取り出し手段の電流取り出しを制御する
    することを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。

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