JP2010129293A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドル停止時に従来よりもバッテリに効率よく充電することができる燃料電池車両を提供する。
【解決手段】アイドル停止に移行すると、制御部（アイドル停止手段）によりコンプレッサ３が停止され、ＦＣ電圧が第１所定電圧（高圧バッテリ２のバッテリ電圧）まで、第１ディスチャージによって高圧バッテリ２に充電が行われる。第１ディスチャージ終了後、所定時間１が経過した場合には、エアコンプレッサ３を駆動して、低流量のエアがカソードに供給される。そして、エア供給後所定時間２経過した場合には、エアコンプレッサ３の駆動が停止され、エア供給が停止される。エア供給途中で、ＦＣ電圧が第１所定電圧を超えた場合には、第２ディスチャージが開始され、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下となるまで、高圧バッテリ２に充電が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アイドル停止手段を備えた燃料電池車両に関する。

燃料電池自動車などでは、燃料の効率的な利用を図るために、車両の停止時に発電を停止するアイドル停止（アイドルストップ）といわれる技術が種々提案されている。しかし、発電を停止して無負荷の状態にすると、残留している水素と酸素とが反応して、燃料電池が高電位となって劣化の原因となる問題がある。そこで、従来においては、アイドル停止に移行する際に水素と空気の供給を停止した後、燃料電池から電流を取り出して燃料電池が高電位になるのを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２９４３０４号公報（段落００４１）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の技術では、例えば燃料電池側の電力を昇圧してバッテリに供給する昇圧装置を備えていない場合、取り出した電流をバッテリに充電する際、取り出し可能な期間としては燃料電池の電圧がバッテリ電圧と等しくなるまでの間しかできないという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、アイドル停止時に従来よりもバッテリに効率よく充電することができる燃料電池車両を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を蓄電可能な蓄電装置と、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料電池または前記蓄電装置を電源として動作するコンプレッサと、所定条件が成立した場合に前記コンプレッサを停止し、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止するアイドル停止手段と、を備えた燃料電池車両において、前記アイドル停止手段により前記コンプレッサが停止する際、酸化剤ガスが不足状態となるまで前記燃料電池の発電電力を前記蓄電装置に蓄電する第１ディスチャージ手段と、前記第１ディスチャージ手段により前記燃料電池内部の酸化剤ガスが不足状態となった場合、前記コンプレッサを駆動することで酸化剤ガスをリッチ状態とし、前記リッチ状態となったときに前記コンプレッサを停止し、前記コンプレッサを停止した後、前記酸化剤ガスが不足状態となるまで前記燃料電池の発電電力を前記蓄電装置に蓄電する第２ディスチャージ手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、酸化剤ガスが不足状態になった後、リッチ状態になるまでの一時的な期間だけ酸化剤ガスを供給することで、最小限のコンプレッサ稼動および酸化剤ガス供給によりエネルギ効率よく蓄電装置に充電することが可能になる。しかも、このとき酸化剤ガスを低流量で供給することにより、アイドル停止中のコンプレッサ音も最小限に抑えることが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池の電圧が第１所定電圧以下である場合、前記酸化剤ガスが不足状態であると判断することを特徴とする。これによれば、酸化剤ガスが不足状態であるかを電圧により簡単に判断できる。

請求項３に係る発明は、前記第１所定電圧は、前記蓄電装置の電圧以下の値に設定されることを特徴とする。これによれば、特に昇圧器等を用いずに、蓄電装置の電圧以下となるまでは効率よく充電できる範囲であるため、最大限効率のよい充電を行うことができる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池の電圧が第２所定電圧以上である場合、前記酸化剤ガスがリッチ状態であると判断することを特徴とする。これによれば、酸化剤ガスがリッチ状態であるかどうかを電圧にて簡単に判断できる。

請求項５に係る発明は、前記第２所定電圧は、前記蓄電装置の電圧以上の値に設定されることを特徴とする。これによれば、蓄電装置の電圧以上にすることで、特に昇圧器等を用いることなく効率よく充電することが可能になる。

請求項６に係る発明は、前記第２ディスチャージ手段によるディスチャージを繰り返し実施することを特徴とする。これによれば、燃料ガス濃度が薄くなっても燃料電池の電圧上昇は起こるため、酸化剤ガスが不足する毎に第２ディスチャージ手段によるディスチャージを繰り返すことで効率のよい充電を繰り返し行うことが可能になる。

請求項７に係る発明は、フラッディングが発生しているか否かを判断するフラッディング判断手段を備え、前記フラッディング判断手段により、フラッディングが発生していると判断された場合には、前記第１ディスチャージ手段および前記第２ディスチャージ手段によるディスチャージの実施を禁止することを特徴とする。これによれば、フラッディング状態であると判断するとディスチャージを禁止するため、無理に発電することによる燃料電池の劣化を防止することが可能になる。

請求項８に係る発明は、前記フラッディング判断手段は、前記燃料電池の電圧が第３所定電圧以下である場合にフラッディングが発生していると判断することを特徴とする。これによれば、フラッディングが起きているかどうかを電圧によって容易に判断することができる。

請求項９に係る発明は、前記燃料電池の電圧は、最低セル電圧であることを特徴とする。最低セル電圧を監視することで、フラッディング中に発電を行うことでの劣化を全セルにおいて防止することが可能になる。

請求項１０に係る発明は、前記燃料電池が所定量以上の発電を行った場合に前記禁止を解除することを特徴とする。これによれば、禁止後、所定以上の発電を行った場合、フラッディング状態が改善していると判断できるため、禁止後も前記した条件が整えば再度効率のよい充電を行うことが可能になる。

請求項１１に係る発明は、前記燃料電池から排出された燃料ガスを流入側に戻す燃料ガス循環系と、前記燃料ガス循環系内のガスを排出するパージ弁と、を備え、前記パージ弁を所定回数以上開動作させた場合に前記禁止を解除することを特徴とする。これによれば、禁止後、所定回数以上のパージを行った場合は、フラッディング状態が改善していると判断できるため、禁止後も前記した条件が整えば再度効率のよい充電を行うことが可能になる。

請求項１２に係る発明は、前記第２ディスチャージ手段によるディスチャージを実施している間は、前記燃料ガスを前記燃料ガス循環系内に封入しておくことを特徴とする。これによれば、燃料ガスを有効に使うことができ、効率のよい充電を繰り返し行うことが可能になる。

請求項１３に係る発明は、前記燃料電池の酸化剤ガス排出路には、開閉動作により前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力調整を行う背圧弁が設けられ、前記背圧弁は、前記第２ディスチャージ手段の実施に伴う前記コンプレッサの駆動開始から遅らせて閉じ方向に動作することを特徴とする。これによれば、コンプレッサの駆動により酸化剤ガスを入れ替えた後、背圧弁を閉じることで圧力を高めることができるため、酸化剤ガスが小流量で済み、コンプレッサの駆動電力を削減することが可能になる。

請求項１４に係る発明は、前記背圧弁は、閉じ方向に動作した後、所定圧力まで低下したら開け方向に動作することを特徴とする。これによれば、圧力が下がる前に背圧弁を開けることで、背圧弁を開弁したときの急激な圧力変化により生成水を吹き飛ばすことができる。よって、フラッディングを抑制することができ、本制御をより多く行うことができる。

請求項１５に係る発明は、前記コンプレッサの駆動と補機の駆動とを連動させることを特徴とする。これによれば、コンプレッサの駆動音を目立たなくすることができるため商品性を向上できる。

請求項１６に係る発明は、前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスで希釈する希釈器を備えることを特徴とする。ところで、アイドル停止中に希釈器に残留している燃料ガスが拡散し、燃料電池のカソード内へ逆流する場合があるが、本制御を実施することで、定期的に希釈器内に残留した燃料ガスを外部に排出することができ、カソードへの燃料ガスの逆流を防止することが可能になり、燃料電池の耐久性を向上できる。

本発明によれば、従来よりもバッテリに効率よく充電することができる燃料電池車両を提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池車両に搭載される燃料電池システムを示す模式図、図２は燃料電池システムを示す全体構成図、図３はアイドル停止時の制御を示すフローチャート、図４はアイドル停止時のタイムチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池自動車を例に挙げて説明するが、四輪車または二輪車のいずれであってもよく、また鉄道車両などその他各種の車両に適用してもよい。

図1に示すように、本実施形態の燃料電池車両Ｖは、燃料電池ＦＣ、高圧バッテリ（蓄電装置）２、エアコンプレッサ（コンプレッサ）３、水素タンク４、駆動モータ５、ラジエータ６、コンデンサ７、電動ファン８などが搭載されて構成されている。

燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成された膜電極接合体を一対のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有している。また、各単セルは、電気的に直列に接続されて高い電圧が得られるようになっている。また、アノードに対向するセパレータには、水素が流通する流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、空気が流通する流路が形成されている。また、セパレータには、燃料電池ＦＣを冷却する冷媒が流通する流路が形成されている。

高圧バッテリ２は、燃料電池ＦＣの電力を補助する高電圧の蓄電装置であり、リチウムイオンやニッケル水素などの充放電可能な電池で構成されている。なお、高圧バッテリ２に替えてキャパシタなどの蓄電装置であってもよい。また、高圧バッテリ２は、発電停止時などの電力源としても使用される。

エアコンプレッサ３は、例えばモータで駆動される過給器であり、燃料電池ＦＣのカソードに酸化剤ガスとしての空気を配管ｃ１（図２参照）を介して供給する。また、エアコンプレッサ３は、燃料電池ＦＣおよび高圧バッテリ２と電気的に接続され、燃料電池ＦＣまたは高圧バッテリ２から電力が供給される。なお、図示していないが、エアコンプレッサ３と燃料電池ＦＣとの間の配管ｃ１には、空気を加湿するための加湿器が設けられ、加湿器で加湿された後の空気が燃料電池ＦＣのカソードに供給される。

水素タンク４は、高純度の水素が高圧に充填されたものであり、燃料電池ＦＣのアノードに燃料ガスとしての水素を供給する機能を有する。なお、図示していないが、水素タンク４と燃料電池ＦＣとの間には、水素タンク４から供給される高圧の水素を減圧する減圧弁などが設けられている。

駆動モータ５は、例えば永久磁石式の３相交流同期モータで構成され、トランスミッション（図示せず）を介して前輪を回転駆動させて燃料電池車両Ｖを走行させる駆動力を発生させる駆動源である。また、駆動モータ５は、インバータ回路などで構成されたＰＤＵ（Power Drive Unit）５ａ（図２参照）と接続され、このＰＤＵ５ａによって、燃料電池ＦＣや高圧バッテリ２からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力を駆動モータ５に供給し、また駆動モータ５の回生電力を直流電力に変換して高圧バッテリ２に充電する。

ラジエータ６は、燃料電池ＦＣで受け取った熱を放熱する機能を有し、燃料電池ＦＣとの間で冷媒を循環させて、燃料電池ＦＣを冷却する。

コンデンサ７は、車室内の温度等を調節する空調装置（いわゆるエアコン）に使用される熱交換器であり、例えばラジエータ６に重ねて配置される。

電動ファン８は、燃料電池車両Ｖの補機であり、ラジエータ６での冷却が不足したとき、また停車時などにエアコンが冷却不足に陥ったときに制御部２０（図２参照）によって駆動される。

図２に示すように、燃料電池システム１は、前記した燃料電池ＦＣ、高圧バッテリ２、エアコンプレッサ３、水素タンク４とともに、遮断弁１１、エゼクタ１２、パージ弁１３、背圧弁１４、希釈器１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、制御部２０を含んで構成されている。

遮断弁１１は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ１を介して水素タンク４と接続され、配管ａ２を介してエゼクタ１２と接続されている。

エゼクタ１２は、配管ａ３を介して燃料電池ＦＣのアノード側の入口と接続され、燃料電池ＦＣのアノード側の出口と接続された配管ａ４と接続され、アノードから排出された未反応の水素を吸引して再びアノードの入口に戻して循環させるポンプ機能を有している。なお、本実施形態では、燃料電池ＦＣ内部のアノード側の流路を含む配管ａ３，ａ４により燃料ガス循環系が構成されている。

パージ弁１３は、配管ａ４と接続された配管ａ５に設けられ、開弁することによって燃料ガス循環系に蓄積した窒素などの不純物または生成水を系外に排出する機能を有する。なお、窒素や生成水などは、燃料電池ＦＣの固体高分子電解質膜を介してカソードからアノードに透過しものである。

背圧弁１４は、例えばバタフライ弁などの開度調節が可能な弁で構成され、カソードに供給される空気（エア）の圧力（カソード圧）を適宜調節する機能を有する。なお、背圧弁１４は、燃料電池ＦＣのカソード側の出口と配管ｃ２を介して接続されている。

希釈器１５は、パージ弁１３と配管ａ６を介して、背圧弁１４と配管ｃ３を介してそれぞれ接続され、パージ弁１３から排出された水素を、カソードから排出されたカソードオフガス（湿潤な空気など）によって所定濃度に希釈して、車外に排出する機能を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池ＦＣと高圧バッテリ２との間に接続され、燃料電池ＦＣの電力を降圧して高圧バッテリ２に充電するとともに、高圧バッテリ２の電力を昇圧して駆動モータ５、エアコンプレッサ３などの負荷に供給できるように構成されている。すなわち、本実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池ＦＣの電圧を高圧バッテリ２に充電はできるが、燃料電池ＦＣの電圧を昇圧して高圧バッテリ２に充電できない機能を備えたコンバータにより構成されている。

なお、電動ファン８などの低電圧の補機には、図示しないコンバータで所定の電圧に降圧された後の電力が供給されるようになっている。低電圧の補機としては、各種センサ、ランプ類などである。

制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、遮断弁１１およびパージ弁１３の開閉、エアコンプレッサ３のモータの回転速度、背圧弁１４の開度、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６のスイッチングの周期を制御し、高圧バッテリ２から電圧値（バッテリ電圧）、電圧センサ２１から燃料電池ＦＣの電圧値（総電圧、ＦＣ電圧）、セル電圧センサ２２から各単セルの電圧（セル電圧）を取得する。

また、制御部２０は、アイドル停止手段、第１ディスチャージ手段、第２ディスチャージ手段、フラッディング判断手段を備えている。なお、フラッディングとは、膜電極接合体付近での水分が過剰になり、水素や酸素の拡散を阻害して、燃料電池ＦＣの発電性能を低下させる現象をいう。

アイドル停止手段は、所定条件が成立したときにエアコンプレッサ３を停止して、燃料電池ＦＣのカソードへのエアの供給を停止する。なお、所定条件とは、例えば、燃料電池車両ＶのアクセルペダルがＯＦＦ（θｔｈ＝０）し、ブレーキペダルが踏まれて（ＢＫＳＷ−ＯＮ）、燃料電池車両Ｖが停止（車速ゼロ；ＶＳ＝０）したときである。また、図２では、ブレーキペダルの状態、アクセルペダルの状態および車速を監視するセンサの図示を省略している。

第１ディスチャージ手段によるディスチャージは、アイドル停止であると判断されて遮断弁１１が閉弁され、エアコンプレッサ３が停止する際、エアが不足状態となるまで燃料電池ＦＣの発電電力（発電電流）を高圧バッテリ２に蓄電する制御である。

第２ディスチャージ手段によるディスチャージは、第１ディスチャージ手段を実施した後、燃料電池ＦＣ内のエアが不足状態になった場合、エアコンプレッサ３を駆動してエアをリッチ状態とし、リッチ状態となったときにエアコンプレッサ３を停止し、エア不足状態となるまで燃料電池ＦＣの発電電力を高圧バッテリ２に蓄電する制御である。

次に、本実施形態の燃料電池車両Ｖにおけるアイドル停止制御（第１実施形態）について図３（適宜、図２）を参照して説明する。
まず、ステップＳ１００において、制御部２０は、燃料電池車両Ｖがアイドル停止中であるか否かを判断し、アイドル停止中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、エアコンプレッサ３を停止する（アイドル停止手段）。なお、アイドル停止中であるかどうかは、前記したように燃料電池車両ＶのアクセルペダルがＯＦＦされ、ブレーキペダルが踏まれて、燃料電池車両Ｖが停止したときにアイドル停止中であると判断される。ステップＳ１００において、制御部２０は、アイドル停止中ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、リターンする。

なお、アイドル停止中でない場合とは、通常発電中であり、遮断弁１１が開弁されて燃料電池ＦＣのアノードに所定圧に減圧された水素が供給され、またエアコンプレッサ３が駆動されて燃料電池ＦＣのカソードにエア（空気）が供給され、燃料電池ＦＣが発電している状態である。この発電電力は、駆動モータ５やエアコンプレッサ３などに供給され、また必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１６で降圧された電力が高圧バッテリ２に充電される。また、燃料電池車両Ｖが急加速する場合など、燃料電池ＦＣの発電電力だけでは不足するときには、高圧バッテリ２の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１６で昇圧して、燃料電池ＦＣの発電電力と高圧バッテリ２の電力とで駆動モータ５を駆動する。

そして、ステップＳ１１０において、制御部２０は、ＦＣ電圧（総電圧）が第１所定電圧を超えているか否かを判断する。なお、ここでの第１所定電圧は、高圧バッテリ２のバッテリ電圧（蓄電装置の電圧）に設定されている。以下では、バッテリ電圧がほぼ一定値であるとして説明する。この第１所定電圧は、昇圧なしに燃料電池ＦＣから高圧バッテリ２に充電可能な燃料電池ＦＣの電圧（ＦＣ電圧）の下限値であり、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下である場合、制御部２０によって、エアが不足状態（酸化剤ガス不足状態）であると判断される。

ステップＳ１１０において、制御部２０は、ＦＣ電圧が第１所定電圧を超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０に進み、ディスチャージ（第１ディスチャージ）を実施する。すなわち、燃料電池ＦＣのアノードに残留している水素とカソードに残留している空気中の酸素との反応によって発電された電力（発電電流）を高圧バッテリ２に充電する。なお、アイドル停止中におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１６のスイッチング素子は、制御部２０によって常時接続（ＯＮ）された状態にある。このように、アイドル停止中に常時ＯＮすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６のスイッチングロスを減らすことができる。

また、ステップＳ１１０において、制御部２０は、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１３０に進み、ディスチャージ（第１ディスチャージ）を終了する。なお、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下になるのは、エアコンプレッサ３が停止しているので、高圧バッテリ２への充電によってカソードに残留するエアが減少するからである。また、図示していないが、ステップＳ１３０では、ディスチャージが終了したことを示すフラグ（Ｆｌａｇ）を立てる。

そして、ステップＳ１４０において、制御部２０は、ディスチャージ終了後、所定時間１が経過しているか否かを判断する。なお、所定時間１は、燃料電池車両Ｖの商品性を損なわないために設定する任意の時間（間隔）である。つまり、所定時間１を短く設定して、第１ディスチャージ後直ちに第２ディスチャージ（後記する）を実施すると、エアコンプレッサ３の駆動音や振動が頻繁に発生することとなって商品性が低下するので、これらを防止するために行われるものである。なお、所定時間１は、図示しないタイマによって計測される。

ステップＳ１４０において、制御部２０は、ディスチャージ終了後所定時間１が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、リターンする。なお、ステップＳ１００に戻ったときに、アイドル停止中であれば、所定時間１が経過するまで、（Ｓ１００，Ｙｅｓ）→（Ｓ１１０，Ｎｏ）→（Ｓ１３０）→（Ｓ１４０，Ｎｏ）が繰り返される。そして、ステップＳ１４０において、制御部２０は、ディスチャージ終了後、所定時間１が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に進む。なお、Ｓ１１０〜Ｓ１３０が、第１ディスチャージ手段により実施される処理に相当する。

ステップＳ１５０において、制御部２０は、エアコンプレッサ３の駆動を再開して所定流量のエアを燃料電池ＦＣのカソードに供給する。なお、所定流量は、通常発電時における最低流量（アイドル運転時の流量）よりもさらに低流量に設定される。アイドル運転時とは、アイドル停止に移行する直前の状態であり、例えば、車両が停止しており、エアコンプレッサ３などの補機にのみ電力が供給されている状態である。またこのとき、背圧弁１４を小開度の状態で開弁することで、エアコンプレッサ３から供給されたエアが容易に車外に抜け出ないようにしている。このようなカソードへの低流量のエア供給により、カソードへのエア供給量が増加し、水素との反応性が高められてＦＣ電圧が徐々に上昇する。

そして、ステップＳ１６０において、制御部２０は、エア供給を開始してから所定時間２が経過したか否かを判断する。なお、所定時間２は、予め実験等によって求められた時間であり、ＦＣ電圧を酸化剤ガス不足状態から酸化剤ガスリッチ状態まで上昇させることができる時間に設定される。この所定時間２は、図示しないタイマによって計測される。

ステップＳ１６０において、制御部２０は、所定時間２が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、リターンする。そして、ステップＳ１１０に戻り、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下であれば、所定時間２が経過するまで、ステップＳ１３０，Ｓ１４０，Ｓ１５０の処理が繰り返される。また、所定時間２が経過する前にＦＣ電圧が第１所定電圧を超えた場合には、ステップＳ１２０に進んでディスチャージ（第２ディスチャージ）を開始して、燃料電池ＦＣの発電電力を高圧バッテリ２に充電する。なお、ディスチャージ（第２ディスチャージ）が開始されても、ディスチャージ終了のフラグはクリアされていないので、ステップＳ１４０では、ディスチャージ終了後所定時間１経過した状態が維持されており、ステップＳ１５０に進み、エア供給を継続する。

また、ステップＳ１６０において、制御部２０は、所定時間２が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７０に進み、エアコンプレッサ３を停止して、燃料電池ＦＣのカソードへのエア供給を停止する。また、図示していないが、ステップＳ１７０では、エア供給停止とともに、ステップＳ１３０で立てたディスチャージ終了のフラグをクリアする。

そして、エア供給停止後（Ｓ１７０）、制御部２０は、ＦＣ電圧が第１所定電圧を超えている場合には（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、ディスチャージ実施後（Ｓ１２０）、ステップＳ１４０に進むが、ステップＳ１４０では、ディスチャージ終了のフラグがステップＳ１７０でクリアされているので、ディスチャージ終了後ではないと判断され、ディスチャージ終了後所定時間１が経過していないと判断され（Ｓ１４０、Ｎｏ）、リターンする。

その後、制御部２０は、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下と判断した場合には（Ｓ１１０，Ｎｏ）、ディスチャージ（第２ディスチャージ）を終了して（Ｓ１３０）、ステップＳ１４０に進み、所定時間１が経過するまで、Ｓ１００，Ｓ１１０，Ｓ１３０の処理が繰り返される。なお、第１ディスチャージ手段の実施後のＳ１１０〜Ｓ１７０が、第２ディスチャージ手段が実施する処理に相当する。

さらに、図４のタイムチャートを参照して説明すると、時刻ｔ０において、所定条件（アイドル停止条件）が満たされてアイドル停止に移行すると（Ｓ１００，Ｙｅｓ）、エアコンプレッサ３が停止され、エア流量が０（ゼロ）となる。また、背圧弁１４を閉じて、カソードに残留しているエアが車外に抜け出ないようにする。このとき、ＦＣ電圧が第１所定電圧よりも高いので（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、第１ディスチャージが実施され（Ｓ１２０）、燃料電池ＦＣの発電電流（ＦＣ電流）が高圧バッテリ２に充電される。

そして、ＦＣ電圧が第１所定電圧まで低下するまで第１ディスチャージが行われ（Ｓ１２０）、時刻ｔ１において、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下になると、第１ディスチャージが終了する（Ｓ１３０）。第１ディスチャージが終了するのは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６が、燃料電池ＦＣ側の電力を昇圧する機能を備えていないので、ＦＣ電圧がバッテリ電圧（第１所定電圧）に到達したときである。ちなみに、時刻ｔ１以降にＦＣ電圧が低下するのは、アノード側の水素が固体高分子電解質膜を介してカソード側に移動して、カソード面の酸素濃度がさらに低下するからである。

そして、所定時間１経過後（Ｓ１４０，Ｙｅｓ）の時刻ｔ２において、エアコンプレッサ３が再び駆動され、燃料電池ＦＣのカソードにエアが供給される（Ｓ１５０）。なお、このとき供給されるエアは、通常発電時における最低流量（アイドルエア流量）よりも低流量に設定される。低流量のエアを供給することにより、アノード側の水素との反応が促進され、ＦＣ電圧が上昇する。

また、時刻ｔ２において、背圧弁１４を開弁（開度小）し、時刻ｔ３まで前記開度を維持し、エア供給を停止する前に徐々に開度を小さくして、時刻ｔ４において閉弁する。すなわち、背圧弁１４をエアコンプレッサ３の駆動開始から遅れて閉じるようにする。これにより、まずエアコンプレッサ３の駆動によりカソード内がエアで入れ替えられ、その後背圧弁１４を閉じることでカソード内の圧力が高められる。

そして、エア供給途中の時刻ｔ３において、ＦＣ電圧が第１所定電圧を超えると（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、第２ディスチャージを開始する（Ｓ１２０）。これにより、燃料電池ＦＣの発電電力が高圧バッテリ２に充電される。エアコンプレッサ３の駆動開始から所定時間２が経過（Ｓ１６０，Ｙｅｓ）またはＦＣ電圧が第２所定電圧に達すると、エアコンプレッサ３を停止して、カソードへのエア供給を停止する（時刻ｔ４）。

そして、エア供給停止後の時刻ｔ５において、ＦＣ電圧が第１所定電圧（バッテリ電圧）まで低下すると（Ｓ１１０，Ｎｏ）、第２ディスチャージが終了する（Ｓ１３０）。

そして、第２ディスチャージ終了後（Ｓ１３０）の時刻ｔ６において、再び所定時間１が経過すると（Ｓ１４０，Ｙｅｓ）、所定流量のエアを所定時間２供給する（Ｓ１５０，Ｓ１６０）。所定時間２が経過する前の時刻ｔ７において、ＦＣ電圧が第１所定電圧を超えた場合には（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、第２ディスチャージを再び開始する（Ｓ１２０）。時刻ｔ８において、エア供給開始から所定時間２が経過すると（Ｓ１６０，Ｙｅｓ）、カソードへのエア供給を停止し、時刻ｔ９において、ＦＣ電圧が第１所定電圧まで低下すると（Ｓ１１０，Ｎｏ）、第２ディスチャージを終了する（Ｓ１３０）。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池車両Ｖによれば、第１ディスチャージを実施してエア不足（酸化剤ガス不足）になったとしても、リッチ状態（酸化剤ガスリッチ状態）になるまでの一時的な期間だけエアを、通常発電時の最低流量よりも低流量のエアとなるように供給することで、再びディスチャージ（第２ディスチャージ）を実施することができ、高圧バッテリ２への充電を効率的に行うことが可能になる。しかも、エアコンプレッサ３を最小限の電力で駆動することで、エネルギ効率よく高圧バッテリに充電することが可能になる。しかも、アイドル停止中のエアコンプレッサ３の作動音も最小限に抑えることが可能になる。

また、本実施形態によれば、ＦＣ電圧が第１所定電圧以下である場合にエア不足状態（酸化剤ガス不足状態）であると判断することにより、エア不足状態であることを電圧により容易に判断することが可能になる。

また、本実施形態によれば、第１所定電圧を高圧バッテリ２の電圧（バッテリ電圧）以下に設定することにより、特に燃料電池ＦＣ側の電力を昇圧して高圧バッテリ２に充電するための昇圧器等を用いることなく、高圧バッテリ２の電圧（バッテリ電圧）以下となるまでは効率よく充電できる。

また、本実施形態によれば、ＦＣ電圧が第２所定電圧以上である場合にエアがリッチ状態であると判断することにより、エアがリッチ状態であることを電圧により容易に判断することが可能になる。

また、本実施形態によれば、第２所定電圧を高圧バッテリの電圧（バッテリ電圧）以上に設定することにより、特に昇圧器等を用いることなく、高圧バッテリ２に効率よく充電できる。

また、本実施形態によれば、第２ディスチャージ手段を繰り返し実施することにより、水素ガス濃度が薄くなっても燃料電池ＦＣの電圧上昇は起こるため、エアが不足状態となるたびに第２ディスチャージによって高圧バッテリ２への効率よい充電を繰り返し行うことが可能になる。

また、本実施形態によれば、第２ディスチャージ手段を実施している間は水素を水素ガス循環系に封入しておくことで、水素を有効に使用することができ、効率のよい充電を繰り返し行うことが可能になる。

また、本実施形態によれば、図４の時刻ｔ２（ｔ６）においてエアコンプレッサ３を駆動することにより、エア不足状態のガスを入れ替え、それに遅れて背圧弁１４を閉じることで、燃料電池ＦＣのカソードのカソード圧を高めることができ、小流量のエア供給で済み、エアコンプレッサ３の消費電力を削減できる。

また、本実施形態によれば、カソード側の圧力が所定圧力まで低下したら（低下する前に）背圧弁１４を開弁することにより（時刻ｔ２，ｔ６）、背圧弁１４を開弁したときの急激な圧力変化によって、カソードなどの流路に残留している生成水を吹き飛ばすことができる。これにより、フラッディングを抑制することが可能になり、ディスチャージによる高圧バッテリ２への充電をより多くの回数行うことが可能になる。なお、所定圧力は、予め実験等によって決められ、生成水を吹き飛ばすことができる圧力に設定される。

ところで、パージ弁１３から排出された水素を燃料電池ＦＣのカソードから排出されたカソードオフガスで希釈する希釈器１５（図２参照）を備えた燃料電池システム１では、アイドル停止中に希釈器１５に残留した水素が拡散して、燃料電池ＦＣのカソードへ逆流するおそれがあるが（エアコンプレッサ３が停止しているため）、本実施形態によれば、所定時間１ごとにエアコンプレッサ３を定期的に駆動することにより、希釈器１５内の残留水素を車外に排出することが可能になる。このように、カソードへの水素逆流を防止することで、燃料電池ＦＣの耐久性を向上することが可能になる。

図５はアイドル停止時の別（第２実施形態）の制御を示すフローチャートである。なお、図３のフローチャートと同様の処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。すなわち、図５は、図３のステップＳ１４０に代えてステップＳ１４１とし、ステップＳ１６０に代えてステップＳ１６１とした制御である。

すなわち、ディスチャージ（第１ディスチャージ）終了後（Ｓ１３０）、ステップＳ１４１に進み、ディスチャージ終了後第４所定電圧まで低下したかどうかを判断する。なお、第４所定電圧は、例えば、図４に示すように、第１所定電圧よりも低い値に設定され、所定時間１の場合と同様に、第１ディスチャージと第２ディスチャージとの間隔、および第２ディスチャージと第２ディスチャージとの間隔が短くなり過ぎない値に設定される。つまり、第４所定電圧は、予め実験等によって決められ、頻繁にエアコンプレッサ３が作動せず、燃料電池車両Ｖの商品性が損なわれない値に設定される。ステップＳ１４１において、制御部２０は、ディスチャージ終了後第４所定電圧まで低下したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、前記と同様に所定流量のエアを供給する（Ｓ１５０）。

そして、ステップＳ１６１において、制御部２０は、エア供給後第２所定電圧まで上昇したか否かを判断する。なお、第２所定電圧は、カソードのエアがリッチ状態（酸化剤ガスリッチ状態）に至ったかどうかを判断する閾値であり、図４に示すように、第１所定電圧（バッテリ電圧）よりも高い電圧に設定される。

図５に示す実施形態によれば、電圧によりエアがリッチ状態であるかどうかを判断することにより、エアリッチ状態を電圧により簡単に判断できる。また、図５に示す実施形態によれば、第２所定電圧をバッテリ電圧以上に設定することにより、燃料電池ＦＣの電圧を昇圧して高圧バッテリ２に充電するための昇圧器等を用いることなく充電できるため、効率よく充電することが可能になる。

図６はアイドル停止時のさらに別（第３実施形態）の制御を示すフローチャートである。なお、図５のフローチャートと同様の処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。すなわち、図６は、図５のフローにステップＳ１０５を追加した制御である。

制御部２０は、ステップＳ１００において、アイドル停止中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、この制御例では、セル電圧センサ２２によって検出された燃料電池ＦＣの各セル電圧（セルＶ）のうちの最も低い値の電圧（最低セル電圧）が第３所定電圧を超えているか否かを判断する。なお、第３所定電圧は、実験等によって設定され、フラッディングが発生していると判断できる閾値に設定される。このステップＳ１０５が、本実施形態におけるフラッディング判断手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ１０５において、制御部２０は、第１ディスチャージ中または第２ディスチャージ中に、最低セル電圧が第３所定電圧以下と判断した場合には（Ｎｏ）、フラッディングが発生していると判断して、ディスチャージを禁止する。また、ステップＳ１０５において、制御部２０は、最低セル電圧が第３所定電圧を超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、フラッディングが発生していないと判断して、ステップＳ１１０に進む。

ところで、ディスチャージでは、エアコンプレッサ３のモータの回転速度が低いため（エア供給流量が少ないため）、フラッディングが発生し易くなるが、図６に示す実施形態のように、フラッディング状態であると判断した場合にディスチャージを禁止するため、無理に発電することによる燃料電池ＦＣの劣化を防止することが可能になる。

また、図６に示す実施形態によれば、最低セル電圧が所定電圧（第３所定電圧）より低下している場合にフラッディングが発生していると判断することで、フラッディングが発生しているかどうかを容易に判断できる。また、図６に示す実施形態によれば、最低セル電圧を監視することで、フラッディング中に発電を行うことでの劣化を全単セルにおいて防止することが可能になる。

なお、図６に示す実施形態では、最低セル電圧を例示して説明したが、最低セル電圧に限定されるものではなく、例えば、（１）燃料電池ＦＣの総電圧が所定値以下に低下している場合、（２）燃料電池ＦＣの最低セル電圧と平均セル電圧との電圧差が所定値以上の場合、（３）燃料電池ＦＣの最低セル電圧と最高セル電圧との電圧差が所定値以上の場合のいずれか一つに該当する場合、フラッディングが発生していると判断するようにしてもよい。なお、平均セル電圧とは、各単セルの電圧値を全単セルの枚数で除した電圧値であり、最高セル電圧とは、燃料電池ＦＣを構成する複数の単セルのうち最も高い電圧値である。また、各条件の所定値については、適宜実験などに基づいて決定される。

図７はアイドル停止時のさらに別（第４実施形態）の制御を示すフローチャートである。なお、図５および図６のフローチャートと同様の処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。また、イグニッションスイッチがオンされたスタート時は、フラッディングフラグには「０」（Ｆｌａｇ＝０）が設定されている。Ｆｌａｇ＝０とは、フラッディングが発生していないことを示すフラグであり、フラッディングフラグが「１」（Ｆｌａｇ＝１）とは、フラッディングが発生していることを示すフラグである。

図７に示すように、ステップＳ１００において、制御部２０は、アイドル停止中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進み、Ｆｌａｇ＝０であるか否かを判断する。そして、制御部２０は、Ｆｌａｇ＝０であると判断した場合には、フラッディングが発生していないと判断して、第１ディスチャージまたは第２ディスチャージを実施する。第１ディスチャージ中または第２ディスチャージ中において、ステップＳ１８０（フラッディング判断手段）に進んだ際、制御部２０は、最低セル電圧が第３所定電圧以下であるか否かを判断し、最低セル電圧が第３所定電圧以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１９０に進み、フラッディングが発生していると判断して、Ｆｌａｇ＝１を立てる。なお、制御部２０によってＦｌａｇ＝０と判断した後は、ステップＳ１７０までは前記した図６と同様である。

ステップＳ２００において、制御部２０は、フラッディング発生後、燃料電池ＦＣの発電量（以下、ＦＣ発電量とする）が所定量以上であるかを判断する。なお、ＦＣ発電量は、燃料電池ＦＣから取り出される電力の積算値または電流の積算値によって算出される。電力は、電圧センサ２１によって得られる燃料電池ＦＣの電圧（総電圧）と、図示しない電流センサによって得られる燃料電池ＦＣの電流との積である。また、所定量は、実験等に基づいて決定され、フラッディングが発生してから解消するまでの発電量が設定される。

ステップＳ２００において、制御部２０は、フラッディング発生後、ＦＣ発電量が所定量以上と判断した場合には（Ｙｅｓ）、フラッディングは解消されていると判断して、ステップＳ２１０に進み、Ｆｌａｇ＝０に置き換える。つまり、ＦＣ発電量が所定量以上の場合とは、アイドル停止から通常発電に移行して、通常発電によってＦＣ発電量が所定量以上となった場合である。これは、通常発電に移行することにより、エアコンプレッサ３が再び駆動され、供給されたエアによって生成水が吹き飛ばされるからである。また、ステップＳ２００において、制御部２０は、フラッディング発生後、ＦＣ発電量が所定量未満以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、Ｆｌａｇ＝１を維持したまま、ステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０において、制御部２０は、フラッディング発生後、パージ回数が所定回数以上であるかどうかを判断する。なお、パージとは、アノードの水素濃度の低下による発電性能の低下を防止するために行われる処理であり、通常発電時にパージ弁１３を適宜開弁することにより、アノード循環系から、カソードから固体高分子電解質膜を介してアノードに透過した窒素（空気に含まれる）の不純物、生成水などを車外に排出する処理である。したがって、パージを行うことにより、アノードにおいてフラッディングの原因となる生成水を排出することができ、またエアコンプレッサ３が駆動されているので、カソードにおいてもフラッディングの原因となる生成水を排出することができ、パージを所定回数以上行った場合には、フラッディングが解消していると判断できる。フラッディングが解消することにより、アノードへの水素の拡散およびカソードへの酸素の拡散がそれぞれ促進され、最低セル電圧が第３所定電圧よりも高くなる。したがって、通常発電後に再びアイドル停止に移行したときに、ディスチャージを行うのに十分なＦＣ電圧を得ることが可能になる。

ステップＳ２２０において、制御部２０は、フラッディング発生後、パージ回数が所定回数以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、フラッディングは解消されていると判断して、ステップＳ２３０に進み、Ｆｌａｇ＝０に設定する。また、ステップＳ２２０において、制御部２０は、フラッディング発生後、パージ回数が所定回数未満であると判断した場合には（Ｎｏ）、Ｆｌａｇ＝１を維持したままリターンする。

そして、アイドル停止中であれば（Ｓ１００，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６では、Ｆｌａｇ＝１を参照して、第１ディスチャージまたは第２ディスチャージを禁止して、ステップＳ１８０に進む。なお、その後、通常発電に移行して（Ｓ１００，Ｎｏ）、ＦＣ発電量が所定量以上の場合（Ｓ２００，Ｙｅｓ）、パージ回数が所定回数以上の場合（Ｓ２２０，Ｙｅｓ）、フラッディングが解消したと判断され、Ｆｌａｇ＝０に設定される。そして、再びアイドル停止に移行すると（Ｓ１００，Ｙｅｓ）、Ｆｌａｇ＝０であるので（Ｓ１０６，Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０，Ｓ１２０に進み、ディスチャージが実施される。

図７に示す実施形態によれば、図６の実施形態と同様に、フラッディングが発生していると判断された場合に第１ディスチャージまたは第２ディスチャージの実施を禁止するので、無理に発電することによる燃料電池ＦＣの劣化を防止することが可能になる。さらに、燃料電池ＦＣが所定量以上の発電を行った場合（ＦＣ発電量≧所定量）、燃料電池ＦＣが所定回数以上パージ弁１３を開弁してパージを行った場合（パージ回数≧所定回数）には、フラッディングが改善していると判断できるので、前記禁止後も再度効率のよい充電を行うことが可能になる。

また、本実施形態は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、第２ディスチャージを実施する場合、エアコンプレッサ３の駆動と、電動ファン８（補機）の駆動とを連動させることにより、エアコンプレッサ３の駆動音を目立たなくさせることができ、燃料電池車両Ｖの商品性を向上できる。つまり、停車時などにおいて普段から聞きなれている電動ファン８の駆動音に、エアコンプレッサ３の駆動音が重なるように駆動させることにより、運転者等が違和感のある音と感じることが抑制される。

本実施形態の燃料電池車両に搭載される燃料電池システムを示す模式図である。 燃料電池システムを示す全体構成図である。 アイドル停止時の制御を示すフローチャートである。 アイドル停止時のタイムチャートである。 アイドル停止時の別の制御を示すフローチャートである。 アイドル停止時のさらに別の制御を示すフローチャートである。 アイドル停止時のさらに別の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 高圧バッテリ（蓄電装置）
３ エアコンプレッサ（コンプレッサ）
８ 電動ファン（補機）
１３ パージ弁
１４ 背圧弁
１５ 希釈器
２０ 制御部（アイドル停止手段、第１ディスチャージ手段、第２ディスチャージ手段、フラッディング判断手段）
ａ３，ａ４ 配管（燃料ガス循環系）
ｃ２ 配管（酸化剤ガス排出路）
ＦＣ 燃料電池
Ｖ 燃料電池車両

Claims (16)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電力を蓄電可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料電池または前記蓄電装置を電源として動作するコンプレッサと、
   所定条件が成立した場合に前記コンプレッサを停止し、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止するアイドル停止手段と、を備えた燃料電池車両において、
   前記アイドル停止手段により前記コンプレッサが停止する際、酸化剤ガスが不足状態となるまで前記燃料電池の発電電力を前記蓄電装置に蓄電する第１ディスチャージ手段と、
   前記第１ディスチャージ手段により前記燃料電池内部の酸化剤ガスが不足状態となった場合、前記コンプレッサを駆動することで酸化剤ガスをリッチ状態とし、前記リッチ状態となったときに前記コンプレッサを停止し、前記コンプレッサを停止した後、前記酸化剤ガスが不足状態となるまで前記燃料電池の発電電力を前記蓄電装置に蓄電する第２ディスチャージ手段と、を備えることを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記燃料電池の電圧が第１所定電圧以下である場合、前記酸化剤ガスが不足状態であると判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記第１所定電圧は、前記蓄電装置の電圧以下の値に設定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
4. 前記燃料電池の電圧が第２所定電圧以上である場合、前記酸化剤ガスがリッチ状態であると判断することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
5. 前記第２所定電圧は、前記蓄電装置の電圧以上の値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両。
6. 前記第２ディスチャージ手段によるディスチャージを繰り返し実施することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
7. フラッディングが発生しているか否かを判断するフラッディング判断手段を備え、
   前記フラッディング判断手段により、フラッディングが発生していると判断された場合、前記第１ディスチャージ手段および前記第２ディスチャージ手段によるディスチャージの実施を禁止することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
8. 前記フラッディング判断手段は、前記燃料電池の電圧が第３所定電圧以下である場合にフラッディングが発生していると判断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池車両。
9. 前記燃料電池の電圧は、最低セル電圧であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池車両。
10. 前記燃料電池が所定量以上の発電を行った場合に前記禁止を解除することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
11. 前記燃料電池から排出された燃料ガスを流入側に戻す燃料ガス循環系と、
    前記燃料ガス循環系内のガスを排出するパージ弁と、を備え、
    前記パージ弁が所定回数以上開動作された場合、前記禁止を解除することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
12. 前記第２ディスチャージ手段によるディスチャージを実施している間は、前記燃料ガスを前記燃料ガス循環系内に封入しておくことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
13. 前記燃料電池の酸化剤ガス排出路には、開閉動作により前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力調整を行う背圧弁が設けられ、
    前記背圧弁は、前記第２ディスチャージ手段の実施に伴う前記コンプレッサの駆動開始から遅れて閉じ方向に動作することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
14. 前記背圧弁は、閉じ方向に動作した後、所定圧力まで低下したら開け方向に動作することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池車両。
15. 前記コンプレッサの駆動と補機の駆動とを連動させることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
16. 前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスで希釈する希釈器を備えることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池車両。

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