JP2009026736A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】低負荷時に酸化剤ガスの供給を一時停止して省燃費運転を行う際に、燃料電池スタックの劣化を防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御装置２０は、燃料電池システムの低負荷時に、酸化剤ガスコンプレッサ５及び冷却水循環ポンプ７を停止させて省燃費運転を実施する。制御装置２０は、電力制御装置９へ取出電流を指示する。省燃費運転時に、電力制御装置９は、燃料電池スタック１からゼロより大きい値の電流を取り出し、かつ単位時間当たりの取り出し総電荷量を一定値とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、低負荷時に一時的に発電を停止する燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムを搭載した車両では、車両の速度が所定速度よりも低く、走行用モータと燃料電池駆動用のエアーコンプレッサを駆動するモータとのモータ出力が所定のモータ出力よりも小さく、ブレーキがオン状態、蓄電装置の端子間電圧が所定電圧よりも高い、という各条件が全て成立した場合、燃料電池への反応ガス供給を停止して燃料電池の発電を一時停止するアイドル停止を行っていた。
特開２００１−３５９２０４号公報（第５頁、図１）
しかしながら、従来の燃料電池車両では、固体高分子型燃料電池の耐久性に関わる問題として、燃料電池セルの発電が停止すると、燃料電池スタックの電圧が上昇し、燃料電池スタックが劣化するという問題点があった。
上記問題点を解決するために本発明は、燃料極及び酸化剤極に供給された反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに対する要求負荷が所定値を下回った場合に、少なくとも反応ガス供給手段の運転を停止する省燃費運転を実施する。そして、省燃費運転中に燃料電池スタックからゼロより大きい値の電流を取り出し、かつ単位時間当たりの取り出し総電荷量を一定値とする制御手段を備えることを要旨とする。
本発明によれば、省燃費運転中に燃料電池スタックからゼロより大きい電流を取り出し、かつ単位時間当たりの取り出し電荷量を一定値とすることで、燃料電池スタックが経年劣化しても、省燃費運転中に燃料電池スタックの電圧が上昇することによる劣化を抑制することができるという効果がある。
実施形態の説明の前に、燃料電池の劣化に対する本発明者らの知見を説明する。燃料電池セル電圧が開回路電圧付近に保持されることによる電解質膜の劣化メカニズムは、燃料極や酸化剤極等の触媒上にて化学式（化１）に示される酸素還元の二電子反応が起こることで過酸化水素が生成する。その結果、非常に酸化性の高いＯＨラジカルが生成され、電解質膜の分子構造を壊すというメカニズムが提唱されている。
Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ2 …（化１）
本発明者らの研究によると、燃料電池スタックの電圧が上昇し、開回路付近の電圧に保持されることによる燃料電池スタックの劣化を、燃料電池スタックから微少電流を取り出すことにより、著しく抑制することが可能であることが分かった。このときの取出電流の大きさと劣化の程度の関係は、図１に示すように、取出電流が大きいほど劣化の程度は小さくなる。なお、その割合は、取出電流が大きくなるほど小さくなる。
この知見を実際のシステムに応用するためには、燃料電池スタックの電流を制御する方法と、燃料電池スタックの電圧を制御する方法との二通りが考えられる。
本発明における１つの実施形態においては、燃料電池スタック新品時から劣化時に渡り、省燃費運転中にゼロより大きい電流を燃料電池スタックから取り出し、且つ取り出される単位時間当たりの総電荷量を一定値とする。これにより、燃料電池スタックの使用過程で電流−電圧特性が変化したとしても、効果的に燃料電池スタックの劣化を抑制し性能低下を防止することが可能になる。
更に、燃料電池スタックから取り出す電流値を一定値に制御することで、反応ガス供給が停止されるような省燃費運転時においても燃料電池スタック及び供給ガス配管中のガス消費量を容易に管理することが可能となる。これにより、省燃費運転開始時から終了時までガス消費を無駄にすることなく、長時間省燃費運転を実施することが可能となる。よって、燃料電池システムを搭載した車両の省燃費運転時の劣化を抑制し、かつ車両の航続距離を延ばすことが可能となる。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する。図２は、本発明に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の要部の構成を説明する図である。図２において、燃料電池スタック１は、多数の固体高分子型燃料電池セルが積層された積層体である。燃料タンク２は、燃料ガスとしての水素ガスを高圧で貯蔵する。燃料調圧弁３は、燃料タンク２の高圧水素ガスを減圧して燃料電池スタック１へ供給する。燃料ガス循環ポンプ４は、燃料調圧弁３から供給される燃料ガスと燃料電池スタック１から排出された燃料ガスを混合して燃料電池スタック１へ供給する。酸化剤ガスコンプレッサ５は、酸化剤ガスとしての空気を圧縮して燃料電池スタック１へ供給する。燃料電池スタック１で使用済みの空気は、酸化剤ガス調圧弁６を介して放出される。
冷却水循環ポンプ７は、燃料電池スタック１の内部に形成された図示しない冷却水路とラジエータ８との間で冷却水を循環させる。そして、燃料電池スタック１で生成する反応熱をラジエータ８から放熱させる。燃料電池スタック１の冷却水出口には、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ１４（燃料電池スタック温度検出手段）が設けられている。尚、温度センサ１４は、燃料電池スタック１の内部温度を直接検出するセンサであってもよい。また実施例１〜３においては、温度センサ１４は必須ではない。
電力制御装置９は、燃料電池スタック１の発電電力が不足する場合に、二次電池１０から放電させる。また、電力制御装置９は、燃料電池スタック１の発電電力に余裕がある場合に、二次電池１０を充電する制御を行とともに、駆動モータ１１による回生電力で二次電池１０を充電する制御を行う。また電力制御装置９は、内部に燃料電池スタック１に並列接続可能な放電用抵抗器（放電手段）を備えている。そして、回生電力で二次電池１０を充電中は、放電用抵抗器を介して燃料電池スタック１の発電電力を放電可能となっている。尚、この放電用抵抗器は、電力制御装置９の外部に設けてもよい。二次電池残電荷量モニタ１０ａは、二次電池１０の残電荷量を検出する。
駆動モータ１１は、燃料電池スタック１の発電電力及び二次電池１０の放電電力で駆動される。また、車両速度の減速時には、駆動モータ１１は車両の運動エネルギを電力として回生し、電力制御装置９へ送ることができる。電力制御装置９は、この回生電力を整流及び電圧調整して二次電池１０へ充電できるようになっている。即ち、駆動モータ１１及び電力制御装置９は、エネルギ回生手段である。車速センサ１２は、車速を検出する。駆動輪１３は、駆動モータ１１により回転され、燃料電池車両を駆動する。電圧センサ１５は、燃料電池スタック１の電圧、または燃料電池スタック１を構成する各セルまたは直列接続された複数のセルからなるセル群の電圧を検出し、検出値を制御装置２０へ送る。
制御装置２０は、燃料電池システムにおける反応ガスの供給制御、燃料電池スタック１の温度制御等のシステム全体の制御を行う。また、燃料電池車両も制御し、燃料電池スタック１に対する要求負荷が所定値を下回った場合に、少なくとも酸化剤ガスコンプレッサ５の運転を停止する省燃費運転を実施する。そして、この省燃費運転中に、燃料電池スタック１からゼロより大きい値の電流を取り出し、かつ単位時間当たりの取り出し総電荷量を一定値とする制御を行う制御装置である。
特に限定されないが、制御装置２０は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成される。その制御内容は、プログラムＲＯＭに格納された制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、実現される。
次に、図２の燃料電池車両における省燃費運転を許可する条件の例を説明する。
（１）所定時間（例えば２０秒）車両が要求する電力量が所定値以下であること。例えば、車速センサ１２が検出した車速が所定の速度（例えば１０ｋｍ／ｈ）以下の状況、もしくは連続する下り坂のようにアクセル踏み込み量により車両運転者が要求する負荷が所定負荷未満の状況が所定時間継続した状態であること。
（２）エアコンの電力消費がないこと。
（３）二次電池１０の残電荷量モニタ１０ａが検出した残電荷量が所定値（例えば最大容量の６０％）以上であること。
以上の（１）、（２）、（３）の各条件が共に満足たされた場合、制御装置２０は、燃料電池システムを省燃費運転に移行させるための、省燃費運転許可フラグＦs を１にセットする。
この省燃費運転では、例えば、制御装置２０は、燃料ガス循環ポンプ４により所定流量（例えばアイドル運転時流量の８０％）の燃料ガスを燃料電池スタック１に供給させつつ、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスコンプレッサ５や冷却水循環ポンプ７を停止させる。これにより、アイドル運転時（例えば、省燃費運転許可フラグが１にセットされる時）よりも大幅に消費電力が低減して、燃料電池システムの省燃費を実現できる。
図３（ａ）は、省燃費運転サイクルが継続される場合の燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、冷却水流量、スタック電圧、及びスタック電流の各制御値のタイムチャートである。省燃費運転サイクルとは、省燃費運転中に、燃料電池スタック電圧が低下して省燃費運転を中断し、酸化剤ガス及び冷却水を燃料電池スタックに供給した後、再度省燃費運転に復帰するサイクルである。
図３（ａ）において、時刻ｔ１で省燃費運転が開始されると、燃料ガス流量は直前のアイドル運転時に比べて大幅に低減される。同時に、酸化剤ガス流量及び冷却水流量は０となる。時刻ｔ１以後、燃料電池スタック１から取り出される電流値は、０とならない正の値とし、かつ単位時間当たりに取り出される総電荷量が一定値となるように電力制御装置９により制御される。この電流値は電流量の積算値が概ね単位時間当たり一定であれば、例えば正弦波形状であったり、電力制御装置９の最小限の制御誤差分、電流に変動があっても構わないが、電流値がゼロとならないことが必要である。
本実施例においては、時刻ｔ１から燃料電池スタック１を作動させるための補機、例えば酸化剤ガスコンプレッサ５や冷却水循環ポンプ７が停止される。また、燃料電池スタック１から取り出される電流は上記補機が消費する電力の分だけ、アイドル運転時に比べて小さく設定（ΔＩ）される。
その後、時間の経過と共に酸化剤ガスが消費され、次第に燃料電池スタック１の電圧は低下していく。ここで、省燃費運転から通常運転の復帰応答性を良好なものとするために、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧（Ｖｍ、例えば単セル当り０．７５Ｖ）まで低下した場合（時刻ｔ２ａ）、通常のアイドル運転へ復帰する。具体的には、燃料ガス及び酸化剤ガスがアイドル時の設定ガス流量、もしくはより短時間にて復帰するために所定量増量したガス流量（例えば設定量の２倍）にて所定時間（時刻ｔ２ａから時刻ｔ３ａまでの時間Δｔ、例えば１秒）供給した後に、アイドル運転時の燃料電池スタック電流へと移行して、通常のアイドル運転へ復帰する。
更に、車両が要求する電力量が所定値以下である状態が所定時間（例えば２０秒）継続して時刻ｔ４ａに至ると、再度省燃費運転が上記と同様に繰り返される。
図３（ｂ）は、省燃費運転時に車両から負荷要求が発生して、省燃費運転が打ち切られる場合の燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、冷却水流量、スタック電圧、及びスタック電流の各制御値のタイムチャートである。
図３（ｂ）の時刻ｔ１において、省燃費運転に入るのは、図３（ａ）と同様である。時刻ｔ２ｂにおいて、省燃費運転中に車両が要求する電力量が上記所定値以上となった場合、要求負荷に応じてあらかじめ設定された燃料ガス及び酸化剤ガス流量、もしくは短時間にて復帰するために所定量増量した（例えば設定量の２倍）上記ガス流量を復帰処理開始後の所定時間（時刻ｔ２ｂから時刻ｔ３ｂまでの時間Δｔ、例えば１秒）供給するように指令し、その後、時刻ｔ３ｂで通常発電、つまり所望負荷に応じた電流取出しを開始する。
ここで図３（ａ）、図３（ｂ）の両者とも、省燃費運転からの復帰時に燃料ガス・酸化剤ガスが不足することによるスタック電圧低下を防止するために、両極へガスを供給し、スタック電圧が所定値（Ｖｎ、例えば単セル当り０．８８Ｖ）よりも大きくなってから、所望の電流を取り出す。
これにより、車両走行距離を延ばしつつ、燃料電池スタック電圧が開回路電圧付近に保持されることによる劣化を抑制することが可能となる。
次に、図４の制御フローチャートを参照して、制御装置２０による省燃費運転制御について説明する。最初にフローチャート内で使用する記号を定義する。
Ｆs ： 省燃費運転許可フラグ
Ｐm ： 省燃費運転開始電力
Ｐn ： 省燃費運転終了電力
Ｐv ： 車両要求電力
Ｖs ： スタック電圧測定
Ｖm ： 省燃費運転終了電圧
Ｖn ： 電流取り出し許可電圧
Ｖp ： 省燃費運転許可電圧
Ｉs ： スタック電流
図４の制御フローチャートにおいて、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、制御装置２０は、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされているか否かを判定する。省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていなければ、何もせずにリターンする。Ｓ１０の判定で、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていれば、Ｓ１２へ進む。ここで、省燃費運転許可フラグＦs は、図４のフローチャートとは異なる省燃費運転条件判断ルーチンにおいて、省燃費運転を許可するための諸条件が全て成立しているか否かを判断する。そして、成立ならば１に、不成立ならば０にセットされているものとする。
次いでＳ１２では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を停止させ、冷却水ポンプ７を停止させて省燃費運転へ移行する。このとき同時に、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させて燃料ガス流量を低下させるのが好ましい。次いでＳ１４で、制御装置２０は、省燃費運転時の燃料電池スタック１から取り出すスタック電流Ｉs を設定する。このスタック電流Ｉs は、アイドル運転時の燃料電池スタック１からの取出電流よりも、運転を停止または運転出力を低減した補機の消費電流分（ΔＩ）を減少させた値に設定する。
次いでＳ１６で、制御装置２０は、燃料電池スタック１の電圧測定値であるスタック電圧Ｖs が、所定の省燃費運転終了電圧Ｖm より小さいか否か、或いは車両が要求する電力である車両要求電力Ｐv が所定の省燃費運転終了電力Ｐn より大きいか否かを判定する。これらの条件がいずれも成立していなければ、Ｓ１６を繰り返して省燃費運転を継続する。Ｓ１６の判定で、スタック電圧Ｖs が省燃費運転終了電圧Ｖm より小さい（図３（ａ）のケース）、或いは車両要求負荷Ｐv が省燃費運転終了電力Ｐn より大きい（図３（ｂ）のケース）場合、Ｓ１８へ進む。
Ｓ１８では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を起動して燃料電池スタック１へ酸化剤ガスの供給を開始する。また、冷却水循環ポンプ７を起動して燃料電池スタック１とラジエータ８との間の冷却水循環を開始させる。このとき、Ｓ１２で燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させていれば、制御装置２０は、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を増加させて燃料ガスの循環流量を増加させる。
次いでＳ２０で、制御装置２０は、電圧センサ１５が検出した燃料電池スタック電圧Ｖs が所定の電流取り出し許可電圧Ｖn より大きくなったか否かを判定する。燃料電池スタック電圧Ｖs が電流取り出し許可電圧Ｖn 以下であれば、Ｓ２０で燃料電池スタック電圧Ｖs の検出及び判定を繰り返して待機する。Ｓ２０の判定で、燃料電池スタック電圧Ｖs が電流取り出し許可電圧Ｖn より大きければ、Ｓ２２へ進む。Ｓ２２では、制御回路２０は、要求負荷の取り出し開始を電力制御装置９へ指示し、電力制御装置９は、要求負荷の取り出しを開始することにより、省燃費運転を終了する。
以上説明した本実施例によれば、省燃費運転中においても燃料電池スタックから０より大きい電流を取り出し、かつ単位時間当たりの取り出し総電荷量が一定値となるように制御する。従って、燃料電池スタックの使用過程で電流−電圧特性が変化したとしても、スタック新品時から劣化時まで、所望の電流を取出せることができる。これにより、省燃費運転中に燃料電池スタック電圧が開回路電圧付近に保持されることによる劣化を抑制できる。更に、水素消費量を低減できるので、省燃費運転を長時間実施することができるため、燃料電池スタックの耐久性を向上させることができるという効果がある。
また本実施例によれば、省燃費運転中のスタック電流を時間に対し一定とする。従って、セル電圧は単調に低下することから、セル電圧が上下に変動することを抑制することができるため、燃料電池スタックの耐久性をより向上させることができるという効果がある。更に、燃料極や配管内の反応ガス消費量を容易に把握できるので、省燃費運転開始時から終了時までガス消費を無駄にすることなく、長時間省燃費運転を実施することが可能となる。
また本実施例によれば、省燃費運転中に所定電圧未満となった場合に、アイドル運転へ復帰する。従って、省燃費運転時に燃料極もしくは酸化剤極中の少なくとも一方のガスを使い切ってしまうことによる復帰時の応答性低下を抑制することができる。
また本実施例によれば、省燃費運転中に所定電圧未満となった場合に、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。従って、省燃費運転からアイドル運転に完全に復帰することなく、長時間に亘って省燃費運転を行うことができる。このため、燃料ガスの供給過剰率（ストイキ、ＳＲ）が確保される省燃費運転時に燃料電池スタックの耐久性を向上させ、かつ省燃費運転を長時間実施することができるという効果がある。
さらに本実施例によれば、省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、省燃費運転中に運転が停止される燃料電池スタックの補機の電流分だけ、アイドル運転時のスタック電流値より小さく設定する。従って、省燃費運転中の燃料電池スタック電圧の高電圧劣化を抑制しつつ、停止した補機の出力分だけエネルギーを節約することができる。このため、燃料電池スタックの耐久性を向上させ、かつ燃料電池システム全体の発電収支変化をゼロとすることができるという効果がある。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図２に示した実施例１と同様である。実施例１では省燃費運転が開始されると直ちに燃料電池スタック１から取り出すスタック電流Ｉs を低減していた。しかしながら、実施例２では、補機停止後、しばらくの間は、アイドル運転時のスタック電流と同じだけの電流を取り出し、速やかにスタック電圧を低下させる制御を行う点にある。また、アイドル運転へ復帰する際の取出し電流をガス供給時（電圧上昇時）からスロープ状に行う点にある。以下に説明する内容以外は、実施例１と同様である。
図５は、本実施例における省燃費運転サイクルが継続される場合の燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、冷却水流量、スタック電圧、及びスタック電流の各制御値のタイムチャートである。図５の時刻ｔ１において、省燃費運転準備が開始されると、燃料電池スタック１を作動させるための補機、例えば酸化剤ガスコンプレッサ５や冷却水循環ポンプ７が停止される。そして、停止した補機が消費していた電力の分だけ、燃料電池スタック電流が減少してても、燃料電池スタック電圧がアイドル電圧以上とならないようにスタック電流Ｉs が設定される。この電流設定はステップ状またはスロープ状何れでも良い。図５はステップ状設定の例であり、燃料電池スタック電圧が省燃費運転許可電圧Ｖp 未満となるまでアイドル運転時のスタック電流を継続する。
これにより、時刻ｔ１ｚで省燃費運転を開始した時の燃料電池スタック１の電圧が開回路電圧付近まで上昇しないため、実施例１に示した耐久性向上効果をより高めることが可能となる。
次いで、時間の経過と共に酸化剤ガスが消費され、次第に燃料電池スタック１の電圧は低下していく。そして時刻ｔ２ａで、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧（Ｖｍ、例えば単セル当り０．７５Ｖ）まで低下した場合、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増加させて、通常のアイドル運転へ復帰させる。
ここで、省燃費運転からアイドル運転への復帰応答性を良好なものとするために、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量をアイドル時の設定ガス流量、もしくはより短時間にて復帰するために所定量増量したガス流量（例えば設定量の２倍）にて所定時間（時刻ｔ２ａから時刻ｔ３ａまでの時間Δｔ、例えば１秒）供給する。図５はアイドル時の設定ガス流量の場合を図示している。このガス供給時に燃料電池スタック１の電圧を監視し、アイドル電圧以上とならないようにスタック電流値を設定して、通常のアイドル運転へ復帰する。このスタック電流設定は、ステップ状またはスロープ状何れでも良い。図５はスロープ状設定の例であり、スタック電圧がアイドル電圧以上とならないように、徐々にアイドル電流へと移行する。この場合、ガス供給時にアイドル電圧以上になることを抑制しつつ、電流の取り過ぎによるガス不足を抑制できるので、燃料電池の劣化をさらに低減できる。
同様に省燃費運転中に車両が要求する電力Ｐv が上記所定値以上となった場合にも上記方法が適用可能である。これにより、省燃費運転開始時の燃料電池スタック１の電圧が開回路電圧付近まで上昇しないため、実施例１に比べて耐久性向上効果をより高めることが可能となる。
次に、図６の制御フローチャートを参照して、本実施例における制御装置２０の省燃費運転制御について説明する。図６のＳ１０において、制御装置２０は、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされているか否かを判定する。省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていなければ、何もせずにリターンする。Ｓ１０の判定で、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていれば、Ｓ１２へ進む。
Ｓ１２では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を停止させ、冷却水ポンプ７を停止させて省燃費運転へ移行する。このとき同時に、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させて燃料ガス流量を低下させるのが好ましい。次いでＳ３０で、制御装置２０は、電圧センサ１５により燃料電池スタック１の電圧Ｖs を測定し、スタック電圧Ｖs が所定の省燃費運転許可電圧Ｖp より小さいか否かを判定する。スタック電圧Ｖs が省燃費運転許可電圧Ｖp 以上であれば、Ｓ３０のスタック電圧測定とスタック電圧判定を繰り返す。Ｓ３０の判定で、スタック電圧Ｖs が省燃費運転許可電圧Ｖp より小さければ、Ｓ３２へ進む。
Ｓ３２では、制御装置２０は、省燃費運転時の燃料電池スタック１から取り出すスタック電流Ｉs を設定する。このスタック電流Ｉs は、アイドル運転時の燃料電池スタック１からの取出電流よりも、運転を停止または運転出力を低減した補機の消費電流分（ΔＩ）を減少させた値に設定する。
次いでＳ３６で、制御装置２０は、燃料電池スタック１の電圧測定値であるスタック電圧Ｖs が、所定の省燃費運転終了電圧Ｖm より小さいか否か、或いは車両が要求する電力である車両要求電力Ｐv が所定の省燃費運転終了電力Ｐn より大きいか否かを判定する。これらの条件がいずれも成立していなければ、Ｓ３６を繰り返して省燃費運転を継続する。Ｓ３６の判定で、スタック電圧Ｖs が省燃費運転終了電圧Ｖm より小さい、車両要求負荷Ｐv が省燃費運転終了電力Ｐn より大きい場合、Ｓ３８へ進む。
Ｓ３８では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を起動して燃料電池スタック１へ酸化剤ガスの供給を開始する。また、冷却水循環ポンプ７を起動して燃料電池スタック１とラジエータ８との間の冷却水循環を開始させる。このとき、Ｓ１２で燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させていれば、制御装置２０は、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を増加させて燃料ガスの循環流量を増加させる。
次いでＳ４０で、制御装置２０は、電圧センサ１５が検出した燃料電池スタック電圧Ｖs が予め記憶したアイドル運転時の燃料電池スタック電圧である上限アイドル電圧を超えなうように、燃料電池スタック１から取り出すスタック電流Ｉs の大きさをフィードバック制御する。
以上説明した本実施例によれば、省燃費運転への移行時において、補機の運転停止後、省燃費運転時のスタック電流の設定を、スタック電圧がアイドル運転時の電圧を超えないように遅らせる。従って、実施例１の効果に加えて、省燃費運転移行時の発電電流値が低い場合に、開回路電圧付近までセル電圧が上昇し、スタックが劣化するのを防止することができる。
さらに本実施例によれば、省燃費運転から通常運転に復帰する際の燃料電池スタック電流値を、燃料電池スタック電圧が通常運転時の最高値を超えないように設定する。従って、省燃費運転時の発電電流値が低い場合、アイドル運転又は通常運転復帰時に、開回路電圧付近までセル電圧が上昇し、スタックが劣化するのを防止することができる。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、図２に示した実施例１とほぼ同様であるが、燃料電池スタック１に並列に接続可能な図示しない放電手段が設けられている。また、実施例１では、省燃費運転時に燃料電池スタック１から取り出す電流値の設定に二次電池１０の残電荷量を考慮していなかった。しかしながら、実施例３では、省燃費運転時に燃料電池スタック１から取り出す電流値を、二次電池１０の残電荷量が少ないほど大きい値へと設定する点にある。以下に説明する内容以外は、実施例１と同様である。
図７は、実施例３における省燃費運転サイクルが継続される場合の燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、冷却水流量、スタック電圧、及びスタック電流の各制御値のタイムチャートである。図７の時刻ｔ１において、省燃費運転が開始されると、燃料電池スタック１を作動させるための補機、例えば酸化剤ガスコンプレッサ５及び冷却水ポンプ７が停止される。そして、省燃費運転が開始された時刻ｔ１以後、燃料電池スタック１から取り出される電流は、単位時間当たりの総電荷量が一定値となるように電力制御装置９により制御される。また、二次電池１０へ充電される電流値は、二次電池１０の残電荷量モニタ１０ａが検出する残電荷量が少ないほど大きい値へと設定される。尚、図７の破線は二次電池１０の残電荷量が少ない場合を示す。
図９は、省燃費運転時に燃料電池スタック１から取り出す電流値の設定例を示す図である。二次電池１０の残電荷量が満充電のＡ％からＢ％までの範囲で、二次電池の残電荷量が少ないほど省燃費運転時のスタック電流値は大きくなるように設定される。残電荷量がＡ％未満の場合、通常発電に復帰して二次電池１０を速やかに充電することになる。残電荷量がＢ％以上の場合には、過充電を避けるために二次電池に充電することはせず、放電手段による放電を行う制御をする。Ａ，Ｂの値は、二次電池の容量や搭載する車両の性格、例えば二次電池走行モードを設けるか否か等により適宜決定される。
図９の電流値は、制御装置２０に制御マップとして予め記憶されている。そして制御マップに記憶させる電流値は、酸化剤ガスや冷却水を供給しないことに起因する燃料電池スタック１の急激な電圧低下を起こさないような電流値へと設定されることが望ましい。これにより、省燃費運転中においても二次電池１０の残量が少ないほど迅速に充電を行うことが可能となる。
ここで、車両が回生すなわち車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する場合について説明する。回生エネルギを有効に二次電池１０へ回収するために、省燃費運転中に燃料電池スタック１から取り出される電流は、二次電池残電荷量による電流設定をスキップする。そして、燃料電池スタック１に並列に接続可能な図示しない放電手段に流され、単位時間当たりの総電荷量が一定値になるように制御される。この際、省燃費運転中に二次電池残電荷量モニタ１０ａにより検知された二次電池残電荷量が所定値（例えば満充電の６０％）を下回った場合は、再び放電手段から二次電池１０へと燃料電池スタック１から取り出される電流が切り替えられる。
次に、図８の制御フローチャートを参照して、本実施例における制御装置２０の省燃費運転制御について説明する。図８のＳ５０において、制御装置２０は、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされているか否かを判定する。省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていなければ、何もせずにリターンする。Ｓ５０の判定で、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていれば、Ｓ５２へ進む。
Ｓ５２では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を停止させ、冷却水ポンプ７を停止させて省燃費運転へ移行する。このとき同時に、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させて燃料ガス流量を低下させるのが好ましい。
次いでＳ５４では、制御装置２０は、省燃費運転時の燃料電池スタック１から取り出すスタック電流Ｉs を設定する。このスタック電流Ｉs は、図９のような制御マップを参照して、二次電池１０の残電荷量モニタ１０ａが検出する残電荷量が少ないほど大きい値へと設定される。
次いでＳ５６で、制御装置２０は、燃料電池スタック１の電圧測定値であるスタック電圧Ｖs が、所定の省燃費運転終了電圧Ｖm より小さいか否かを判定する。この条件が成立していなければ、Ｓ５６を繰り返して省燃費運転を継続する。Ｓ５６の判定で、スタック電圧Ｖs が省燃費運転終了電圧Ｖm より小さい場合、Ｓ５８へ進む。
Ｓ５８では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を起動して燃料電池スタック１へ酸化剤ガスの供給を開始する。また、冷却水循環ポンプ７を起動して燃料電池スタック１とラジエータ８との間の冷却水循環を開始させる。このとき、Ｓ５２で燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させていれば、制御装置２０は、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を増加させて燃料ガスの循環流量を増加させる。
次いでＳ６０で、制御装置２０は、電圧センサ１５が検出した燃料電池スタック電圧Ｖs が所定の電流取り出し許可電圧Ｖn より大きくなったか否かを判定する。燃料電池スタック電圧Ｖs が電流取り出し許可電圧Ｖn 以下であれば、Ｓ６０で燃料電池スタック電圧Ｖs の検出及び判定を繰り返して待機する。Ｓ６０の判定で、燃料電池スタック電圧Ｖs が電流取り出し許可電圧Ｖn より大きければ、Ｓ６２へ進む。Ｓ６２では、制御回路２０は、要求負荷の取り出し開始を電力制御装置９へ指示し、電力制御装置９は、要求負荷の取り出しを開始することにより、省燃費運転を終了する。
以上説明した本実施例によれば、省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、二次電池の残電荷量が少ないほど大きい値に設定する。従って、省燃費運転中の高電圧劣化を抑制しつつ、二次電池の充電電流を大きくすることができる。このため、燃料電池スタックの耐久性を向上させ、かつ二次電池を短時間にて充電することができるという効果がある。
また本実施例によれば、二次電池の残電荷量が所定値よりも大きい場合には、燃料電池スタックに並列接続可能な放電手段を用いて省燃費運転時のスタック電流を取り出す。従って、省燃費運転中の高電圧劣化を抑制しつつ、二次電池の過充電を防止することができる。
さらに本実施例によれば、省燃費運転時にエネルギ回生手段が二次電池を充電している場合には、燃料電池スタックに並列接続可能な放電手段を用いて省燃費運転時のスタック電流を取り出す。従って、省燃費運転中の高電圧劣化を抑制しつつ、エネルギ回生中の二次電池の過充電を防止することができる。
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４の燃料電池システムの構成は、図２に示した実施例１の構成に、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ１４（スタック温度検出手段）と、燃料電池スタック１の燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、燃料電池スタック１の酸化剤ガス圧力検出手段とを追加した構成である。尚、本実施例における電圧センサ１５は、燃料電池スタック１の総電圧であるスタック電圧を検出するとともに、燃料電池スタック中の少なくとも２つ以上のセルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段を兼ねている。
本実施例の特徴は、省燃費運転時に燃料電池スタック１から取り出すスタック電流値Ｉs の設定値に、スタック温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力による補正を行う点にある。また、実施例４の動作は、以下に説明する内容以外は、実施例３と同様である。
次に、図１０の制御フローチャートを参照して、本実施例の動作を説明する。図１０のＳ７０において、制御装置２０は、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされているか否かを判定する。省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていなければ、何もせずにリターンする。Ｓ７０の判定で、省燃費運転許可フラグＦs が１にセットされていれば、Ｓ７２へ進む。
Ｓ７２では、制御装置２０は、スタック温度検出手段、燃料ガス圧力検出手段、酸化剤ガス圧力検出手段からそれぞれ、省燃費運転開始直前のスタック温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力を読み込む。そして、これらの値に基づいて、省燃費運転時の燃料電池スタック１からの取り出し電流値を演算する。この演算には、図１２（ａ）のスタック温度に対する電流設定係数、図１２（ｂ）の燃料ガス圧力に対する電流設定係数、図１２（ｃ）の酸化剤ガス圧力に対する電流設定係数を用いる。これらの電流設定係数は、図１及び図１１に示すスタックの劣化傾向に基づき決定される。図１より、省燃費運転中のスタック電流値を大きくするほど燃料電池スタック電圧が開回路電圧付近に保持されることによるスタック劣化を抑制可能な傾向があることがわかる。また、図１１より、省燃費運転開始直前のスタック温度が低くなるほど、燃料ガス圧力が高くなるほど、酸化剤ガス圧力が低くなるほど、スタック劣化を抑制可能な傾向があることがわかる。このような背景より、図１２に示すように、スタック温度が高くなるほど、燃料ガス圧力が低くなるほど、酸化剤ガス圧力が高くなるほど、電流設定係数を大きくするように決定する。図１２の各電流設定係数が１．０となるスタック温度の基準、燃料ガス圧力の基準、酸化剤ガス圧力の基準、及び各電流設定係数の曲線の形状は、事前に行った実験に基づいて、制御装置２０へ予め記憶させておくものとする。
さらに、Ｓ７２におけるスタック電流値の演算の結果がアイドル電流値よりも大きい値であった場合、補正を行う。具体的には、例えば省燃費運転直前に燃料電池スタック１の各単位セルに設置された電圧センサ１５を用いて計測されるセル電圧の最小値が、省燃費運転中の上記設定電流を燃料電池スタック１から取り出すことによって燃料ガス不足判定電圧値（例えば−０．５Ｖ）とならないように補正される。
この補正は前もって実験により決定されることが望ましい。例えば、図１３に示すように省燃費運転直前のアイドル時において測定されたセル電圧の最低値が燃料電池スタック１における平均セル電圧の４５％の電圧であった場合、図１２の電流設定係数で補正した結果に、更に補正係数０．２が掛けられる。この電流設定係数は、最低セル電圧と平均セル電圧の乖離が大きいほど小さい値となる。これにより、スタック内部状態に応じて適切に省燃費運転中のスタック電流値を設定することが可能となる。
次いでＳ７４では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を停止させ、冷却水ポンプ７を停止させて省燃費運転へ移行する。このとき同時に、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させて燃料ガス流量を低下させるのが好ましい。
次いでＳ７６では、制御装置２０は、省燃費運転時の燃料電池スタック１から取り出すスタック電流Ｉs を設定する。このスタック電流Ｉs は、Ｓ７２で演算した値である。
次いでＳ７８で、制御装置２０は、燃料電池スタック１の電圧測定値であるスタック電圧Ｖs が、所定の省燃費運転終了電圧Ｖm より小さいか否かを判定する。この条件が成立していなければ、Ｓ７８を繰り返して省燃費運転を継続する。Ｓ７８の判定で、スタック電圧Ｖs が省燃費運転終了電圧Ｖm より小さい場合、Ｓ８０へ進む。
Ｓ８０では、制御装置２０は、酸化剤ガスコンプレッサ５を起動して燃料電池スタック１へ酸化剤ガスの供給を開始する。また、冷却水循環ポンプ７を起動して燃料電池スタック１とラジエータ８との間の冷却水循環を開始させる。このとき、Ｓ７４で燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を低下させていれば、制御装置２０は、燃料ガス循環ポンプ４の運転出力を増加させて燃料ガスの循環流量を増加させる。
次いでＳ８２で、制御装置２０は、電圧センサ１５が検出した燃料電池スタック電圧Ｖs が所定の電流取り出し許可電圧Ｖn より大きくなったか否かを判定する。燃料電池スタック電圧Ｖs が電流取り出し許可電圧Ｖn 以下であれば、Ｓ８２で燃料電池スタック電圧Ｖs の検出及び判定を繰り返して待機する。Ｓ８２の判定で、燃料電池スタック電圧Ｖs が電流取り出し許可電圧Ｖn より大きければ、Ｓ８４へ進む。Ｓ８４では、制御回路２０は、要求負荷の取り出し開始を電力制御装置９へ指示し、電力制御装置９は、要求負荷の取り出しを開始することにより、省燃費運転を終了する。
以上説明した本実施例によれば、アイドル運転時の電圧を超えないように酸化剤ガスを供給する。従って、省燃費運転時の発電電流値が低い場合に、酸化剤ガス供給によって開回路電圧付近までセル電圧が上昇し、スタックが劣化するのを防止することができる。
また本実施例によれば、省燃費運転中のスタック取り出し電流値を省燃費運転直前のスタック温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力で補正する。従って、スタックの劣化の感度に応じて取出し電流値を決定できるため、燃料電池スタックの耐久性を更に向上させることができるという効果がある。
また本実施例によれば、省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値が直前のアイドル電流よりも大きい場合には、セル電圧の最低値を有するセルが燃料ガス不足の電圧とならないように電流値を補正する。従って、省燃費運転中の高電圧劣化を抑制しつつ、かつアイドル運転時に燃料極流路が閉塞していた場合に電流値を大きくすることによる燃料ガス不足による燃料極触媒の劣化を抑制することができる。
省燃費運転時の電流とスタック劣化の関係を説明する図である。 実施例１の燃料電池システムが適用される燃料電池車両の要部構成図である。 （ａ）実施例１における省燃費運転サイクル時の各制御値を示すタイムチャート、（ｂ）実施例１における省燃費運転から通常運転への復帰時の各制御値を示すタイムチャートである。 実施例１における制御フローチャートである。 実施例２における各制御値の時間変化を説明するタイムチャートである。 実施例２における制御フローチャートである。 実施例３における各制御値の時間変化を説明するタイムチャートである。 実施例３における制御フローチャートである。 実施例３におけるスタック電流設定を説明する図である。 実施例４における制御フローチャートである。 各スタック内部状態とスタック劣化の関係を説明する図である。 各スタック内部状態と電流設定の関係を説明する図である。 実施例４におけるアイドル時のスタック電圧と電流設定係数の関係を説明する図である。
符号の説明
１ 燃料電池スタック
２ 燃料タンク
３ 燃料調圧弁
４ 燃料ガス循環ポンプ
５ 酸化剤ガスコンプレッサ
６ 酸化剤ガス調圧弁
７ 冷却水循環ポンプ
８ ラジエータ
９ 電力制御装置（エネルギ回生手段、放電手段）
１０ 二次電池
１０ａ 二次電池残電荷量モニタ
１１ 駆動モータ（エネルギ回生手段）
１２ 車速センサ
１３ 駆動輪
１４ 温度センサ
１５ 電圧センサ
２０ 制御装置

Claims (15)

  1. 燃料極及び酸化剤極に供給された反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
    燃料電池スタックに対する要求負荷が所定値を下回った場合に、燃料電池スタックの補機の運転を停止する省燃費運転を実施する際に、前記省燃費運転中に燃料電池スタックからゼロより大きい値の電流を取り出し、かつ単位時間当たりの取り出し総電荷量を一定値とする制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取り出す電流値を一定電流値とす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. 前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記省燃費運転中の前記電圧が所定値未満となった場合、前記省燃費運転からアイドル運転へ復帰することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記省燃費運転中の前記電圧が所定値未満となった場合、前記反応ガス供給手段から酸化剤極へ酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、前記省燃費運転中に運転が停止される燃料電池スタックの補機の電流分だけ、アイドル運転時のスタック電流値より小さく設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 二次電池を備え、
    前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、前記二次電池の残電荷量が少ないほど大きい値に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、前記省燃費運転への移行時において、前記補機の運転停止後、前記省燃費運転時のスタック電流の設定を、前記スタック電圧がアイドル運転時の電圧を超えないように遅らせることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御手段は、アイドル運転時の電圧を超えないように酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御手段は、前記省燃費運転から通常運転に復帰する際の燃料電池スタック電流値を、燃料電池スタック電圧が通常運転時の最高値を超えないように設定することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 燃料電池スタックの温度を検出する燃料電池スタック温度検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、前記省燃費運転直前の前記燃料電池スタックの温度が高いほど大きい値へと補正することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、前記省燃費運転直前の燃料電池スタック内の燃料ガス圧力が高いほど小さい値へと補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値を、前記省燃費運転直前の燃料電池スタック内の酸化剤ガス圧力が高いほど大きい値へと補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池スタックは、少なくとも２つのセルの電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、
    前記制御手段は、前記省燃費運転中に燃料電池スタックから取出す電流値が直前のアイドル電流よりも大きい場合には、前記セル電圧の最低値を有するセルが燃料ガス不足の電圧とならないように電流値を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 二次電池を備え、
    前記制御手段は、該二次電池の残電荷量が所定値よりも大きい場合には、燃料電池スタックに並列接続可能な放電手段を用いて省燃費運転時のスタック電流を取り出すことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  15. 二次電池及びエネルギ回生手段を備え、前記制御手段は、前記省燃費運転時に前記エネルギ回生手段が前記二次電池を充電している場合には、燃料電池スタックに並列接続可能な放電手段を用いて省燃費運転時のスタック電流を取り出すことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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