JP2007165055A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下でのシステム始動不良を抑制しつつ、システム停止時間を短縮することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転停止方法を提供すること。
【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池２０と、燃料電池２０により発電された電力が充電される二次電池５４と、燃料電池２０により発電された電力と二次電池５４に充電された電力のうち少なくとも一方が消費される補機モータＭ４及びトラクションモータＭ３と、燃料電池２０から二次電池５４への充電を制御する制御部５０とを備えた燃料電池システム１において、制御部５０は、システム停止時の充電量が次回始動時に必要とする充電量以下の場合に、アイドル運転時又はシステム停止時に二次電池５４に対して充電する際の電流よりも大電流で二次電池５４を急速充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及び燃料電池システムの運転停止方法に関し、特に、低温始動性の向上に有効な技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムとして、燃料電池によって発電された電力を蓄電する二次電池を備えたものがある。このような二次電池は、出力が温度依存性を有し、低温環境下では出力が低下する。このため、低温環境下で始動する際に二次電池の充電量（ＳＯＣ）が不足し、起動不良の原因となる。
特開２００４‐１４６０７５号公報

そこで特許文献１等には、システム停止時に次回始動時の充電量を確保する発明が開示されているものの、充電の為の時間が長く、システム停止に時間がかかるという問題がある。

そこで、本発明は、低温環境下でのシステム始動不良を抑制しつつ、システム停止時間を短縮することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池により発電された電力が充電される蓄電装置と、前記燃料電池により発電された電力と前記蓄電装置に充電された電力のうち少なくとも一方が消費される電力消費装置と、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記充電制御部は、システム停止時に前記蓄電装置の充電量が次回システム始動時に必要とされる値以下の場合には、無負荷時又は反応ガス供給遮断時における前記燃料電池から前記蓄電装置への第１の充電電流よりも大なる第２の充電電流にて、前記蓄電装置を充電するものである。

本構成によれば、次回システム始動時（以下、次回始動時）に蓄電装置に必要とされる充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）をシステム停止時の充電で補う。このとき、無負荷時又は反応ガス供給遮断時における蓄電装置への第１の充電電流よりも大なる第２の充電電流にて蓄電装置を急速充電するので、システム停止時間も短縮する。

ここに、無負荷時における燃料電池から蓄電装置への充電とは、例えばユーザからの負荷要求（出力要求）を待機している状態で燃料電池が発電した電力の蓄電装置への充電であり、例えば燃料電池システムが車両等の移動体に搭載された場合におけるアイドル運転時の充電が該当する。

また、反応ガス供給遮断時における燃料電池から蓄電装置への充電とは、燃料電池への反応ガス供給を遮断している状態で燃料電池が発電した電力の蓄電装置への充電であり、例えば低負荷運転時に燃料電池の発電を一時休止して蓄電装置から電力消費装置への電力供給を行う間欠運転時の充電や、システム停止時に燃料電池内及び反応ガス配管内の減圧等を目的として行われる減圧発電時の充電等が該当する。

なお、間欠運転は、例えば燃料電池システムの移動体への搭載時におけるアイドリング時、低速走行時、又は回生制動時等に実施される運転モードである。

前記充電制御部は、次回システム始動時における前記蓄電装置の温度を推定し、該推定結果を加味して前記急速充電を行うようにしてもよい。

蓄電装置の出力は温度依存性を有するので、電力消費装置で消費される電力に対応して必要とされる蓄電装置の充電量は、次回始動時の温度によって変化する。すなわち、低温環境下で再始動する場合には、より大きい充電量が必要であるところ、本構成によれば、前記蓄電装置の温度を推定することにより、次回始動時の充電量を最適化することが可能である。

前記充電制御部は、次回システム始動時における前記蓄電装置の位置情報に基づいて、前記蓄電装置の温度を推定するようにしてもよい。

位置情報として、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）等を用いて測位された蓄電装置の位置座標（つまり、システム停止時に蓄電装置、さらに言い換えれば、燃料電池システムが存在している場所）を用いることができる。さらに、燃料電池システムが例えば移動体に搭載されている場合には、システム停止時から次回始動時までに移送されている可能性がある距離、例えば停止位置から８００ｋｍ圏内における位置情報に基づいてもよい。

さらにこの位置情報と日時に基づき、ＩＴＳ（Intelligent Transport Systems：高度道路交通システム）等から取得される外部データあるいは予め充電制御部の内部または外部に設けられた記憶装置等に保存されているデータを参照する等して外気温を予測し、前記蓄電装置の温度を推定することができる。

前記第２の充電電流による充電の要否がユーザに選択可能とされていてもよい。例えば、前記充電制御部は、システム停止時の蓄電装置の充電量が次回始動時に電力消費装置で消費される電力に対応して必要とされる充電量以下である場合には、その旨をユーザに通知し、該ユーザから指示を受けたときのみに、第２の充電電流による充電を行うようにしてもよい。

本構成によれば、システム停止時の充電動作がユーザ選択に委ねられることになるので、ユーザの要求に応じて、充電動作を省略した燃料電池システムの早期停止の実現も可能となる。

また、本発明の燃料電池システムの運転停止方法は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池により発電された電力が充電される蓄電装置と、前記燃料電池により発電された電力と前記蓄電装置に充電された電力のうち少なくとも一方が消費される電力消費装置と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、システム停止時に前記蓄電装置の充電量が次回システム始動時に必要とされる値以下の場合には、無負荷時又は反応ガス供給遮断時における前記燃料電池から前記蓄電装置への充電電流よりも大電流にて、前記蓄電装置を急速充電する工程を備えるものである。

本構成によれば、次回始動時に蓄電装置に必要とされる充電量（ＳＯＣ）をシステム停止時の充電で補うことができる。このとき、無負荷時又は反応ガス供給遮断時における蓄電装置に対する充電電流よりも大電流で蓄電装置を急速充電するので、システム停止時間も短縮する。

本発明によれば、次回システム始動時に必要とされる電力をシステム停止時の急速充電によって蓄電装置に確保しておくので、低温環境下での始動不良を抑制しつつ、システム停止時間を短縮することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システム及び燃料電池システムの運転停止方法の一実施の形態を説明する。以下、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

図１に示した燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１、加湿器Ａ２１をバイパスするバイパス路８１、及び三方弁等の流路制御弁８２が設けられている。

流路制御弁８２は、燃料電池２０に供給される空気の一部又は全部を加湿器Ａ２１に通すか、加湿器Ａ２１をバイパスさせるかを切り替えるものであり、後述の制御部５０によって制御される。また、コンプレッサＡ３は、補機モータＭによって駆動される。この補機モータＭは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流用を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁（減圧弁）Ａ４は、燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。

圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。

水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、補機モータＭによって駆動され、この補機モータＭは、制御部５０によって駆動制御される。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続される。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

更に、燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水（冷媒）を循環させる冷却路７３が設けられる。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、二次電池（蓄電装置）５４に充電される。二次電池５４は車両制動時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。

トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池２０と二次電池５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータＭ４は水素ポンプＨ５０を駆動するモータＭやコンプレッサＡ３を駆動するモータＭ等を総称している。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。

制御部５０は、例えばユーザ（運転者）がイグニッションをＯＦＦにすること等によって燃料電池２０の運転停止指令を受けた後に、次回始動時の二次電池５４の温度を推定し、その結果に基づき、必要な場合に急速充電制御を行う。すなわち、本実施形態の制御部５０は、本発明における充電制御部の一例である。

例えば、位置情報としてＧＰＳ等を用いて測位された二次電池５４の位置座標（つまり、システム停止時に二次電池５４、さらに言い換えれば、燃料電池システム１が存在している場所）を用い、この位置情報と暦情報（月、日等）及び時間情報に基づき、ＩＴＳ等から取得されるその土地における過去の気温推移情報及び予想気温推移情報あるいは予め制御部５０の内部または外部に設けられた記憶装置等に保存されているデータを参照する等して外気温を予測する。

例えば、今後一週間以内に想定される最低気温を推測し、この値を次回始動時に二次電池５４が取りうる最低の値として推定する。さらに、停止時から次回始動時までに移送される可能性がある距離、例えば停止位置から８００ｋｍ圏内の所定位置における気温推移情報及び予想気温推移情報等に基づいてもよい。このように推定した温度に基づき、二次電池５４の必要充電量を算出し、必要な場合には二次電池５４の充電量が必要値以上となるように充電を行う。

以下、制御部５０による急速充電制御について詳細に説明する。制御部５０は、図示しない主制御プログラムにおいて運転停止動作（例えば、イグニッションＯＦＦ）を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図２のフローチャートに示される処理を実行する。

まず、制御部５０は、本実施形態に係る燃料電池システム１が搭載された車両の位置座標を車載ＧＰＳを介して受信（取得）する（ステップＳ１）。次に、ステップＳ１で受信した位置座標をＩＴＳに送信し、該ＩＴＳからその土地における過去の気温推移情報と予想気温推移情報を受信（取得）する（ステップＳ３）。

次いで、これらステップＳ３で受信した気温推移情報及び予想気温推移情報と、暦情報（月、日等）及び時間情報とに基づき、今後車両が受けると予想される温度変化を推測する。例えば今後一週間以内の最低気温を予測し、この値を次回起動時に二次電池５４が取りうる最低の値と予測する（ステップＳ５）。

二次電池５４の出力は温度依存性を有する。そこで、予測された温度の下で補機モータＭ４やトラクションモータＭ３を起動するために必要とされる充電量（ＳＯＣ）を算出する（ステップＳ６）。

しかる後、予測した必要充電量と現在の充電量とを比較し、二次電池５４が次回始動時に補機モータＭ４やトラクションモータＭ３で消費される電力に対応して必要となる充電量を満たしているか判定する（ステップＳ７）。この判定結果が「ＮＯ」の場合は、ステップＳ９に進む。ステップＳ９ではユーザに充電量が不足していることを通知し、ユーザの指示を受ける。

ユーザに対する通知は、画像表示装置や、インパネ内のインジケータ、または音声ガイダンス等により行うことができる。また、ユーザからの指示は、ボタンまたはレバーの操作等により受けることができる。

ユーザによって発電延長の指示を受けた場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、必要充電量に足りない分を二次電池５４に急速充電する（ステップＳ１１）。急速充電は、アイドル運転時や間欠運転時に燃料電池２０で発電した電力を二次電池５４に充電する際の充電電流（第１の充電電流）よりも大電流（第２の電流）で行われる。

また、システム停止時は、水素供給系を減圧してシステム停止中におけるアノード側からカソード側への水素ガスのクロスリークを抑制するべく、遮断弁Ｈ１００を閉弁し、燃料供給路７４内，燃料電池２０内，及び水素循環路７５内に残留している水素ガスを消費して発電する一方、発電した電力は二次電池５４に充電している。よって、急速充電は、このときの充電電流（第１の充電電流）よりも大電流（第２の電流）で行われるようにしてもよい。

本急速充電においては、遮断弁Ｈ１００を開弁した状態で、コンプレッサＡ３による燃料電池２０へのエア供給量等も適宜制御し、上記アイドル運転時及びシステム停止中における充電電流よりも大電流で二次電池５４に充電を行う。このように大電流で急速充電を行うことにより、短時間で充電を完了することができる。

ステップＳ７の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、言い換えれば、充電量が十分である場合は、ステップＳ２１に進み、ユーザが充電処理を「ＯＮ」または「ＯＦＦ」のいずれを選択しているかの判定、つまり、ユーザ設定の判定を行う。このユーザ設定の判定処理は、例えばボタンまたはレバーからの入力に基づいてユーザ設定の状態判定が行われる。

ステップＳ２１の判定の結果、ユーザ設定が「ＯＮ」の場合には、たとえステップＳ７の判定結果が「ＹＥＳ」であっても、言い換えれば、たとえ次回始動時に二次電池５４の充電量が十分だと判定された場合であっても、ユーザの意思に従い、ステップＳ１１の急速充電を行う。一方、ユーザ設定が「ＯＦＦ」の場合には、ステップＳ７の判定結果「ＹＥＳ」に従い、ステップＳ１１をスキップする。

ステップＳ１１の処理後、あるいはステップＳ１１の処理をスキップした後は、所定のシステム停止処理（ステップＳ１３）を行い、本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム及びその運転停止方法によれば、次回始動時の二次電池５４の必要充電量を予測し、この予測結果に基づいて急速充電を実施するので、充電量を最適化させて低温環境下でのシステム始動不良を抑制することができる。特に、アイドル運転時やシステム停止時における二次電池５４への充電電流よりも大なる電流で二次電池５４を急速充電することで、停止処理時間の短縮化も実現することができる。

また、例えばユーザが予定している又は予想した次回始動の状況（例えば、月，日，時刻，日向，日陰，山間部，平野部等）等に応じて、充電処理の要否をユーザが任意に選択することができるので、制御部５０が充電処理を必要と判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）であっても、充電処理を強制的に禁止することが可能である一方、逆に制御部５０が充電処理を不要と判定した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）であっても、充電処理を強制的に実施することも可能であり、使い勝手が向上する。

上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、毎朝ほぼ定刻に自動車通勤する等の比較的短期的なものから月単位または年単位の中長期的なユーザの行動パターンを学習し、システム停止時に、次に始動するタイミング（月、日、時刻等）を取得し、当該タイミングと、二次電池５４の温度または該温度と相関を有する温度とタイミングとが対応付けられた気候（温度）マップとに応じて、次回始動時の温度を予測するようにしもてよい。この気候マップは、燃料電池システム１あるいは車両の外部から与えてもよいし、学習してよい。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 図１に示した制御部によるシステム停止処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、５０…制御部（充電制御部）、６０…二次電池（蓄電装置）、Ｍ３…トラクションモータ（電力消費装置）、Ｍ４…補機モータ（電力消費装置）、

Claims (5)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池により発電された電力が充電される蓄電装置と、前記燃料電池により発電された電力と前記蓄電装置に充電された電力のうち少なくとも一方が消費される電力消費装置と、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記充電制御部は、システム停止時に前記蓄電装置の充電量が次回システム始動時に必要とされる値以下の場合には、無負荷時又は反応ガス供給遮断時における前記燃料電池から前記蓄電装置への第１の充電電流よりも大なる第２の充電電流にて、前記蓄電装置を充電する燃料電池システム。
2. 前記充電制御部は、次回システム始動時における前記蓄電装置の温度を推定し、該推定結果を加味して前記第２の充電電流による充電を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記充電制御部は、次回システム始動時における前記蓄電装置の位置情報に基づいて、前記蓄電装置の温度を推定する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第２の充電電流による充電の要否がユーザに選択可能とされた請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池により発電された電力が充電される蓄電装置と、前記燃料電池により発電された電力と前記蓄電装置に充電された電力のうち少なくとも一方が消費される電力消費装置と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、
   システム停止時に前記蓄電装置の充電量が次回システム始動時に必要とされる値以下の場合には、無負荷時又は反応ガス供給遮断時における前記燃料電池から前記蓄電装置への第１の充電電流よりも大なる第２の充電電流にて、前記蓄電装置を充電する工程を備える燃料電池システムの運転停止方法。
   
   

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