JP2013054842A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止制御を最適化する。
【解決手段】アノードガス及びカソードガスを燃料電池１に供給して発電し、発電電力によって車両を走行させる燃料電池システム１００であって、燃料電池１の暖機時に燃料電池システム１００の停止指令がでたときは、暖機が終了するまで燃料電池１の発電を継続し、発電電力をバッテリ５５に供給する停止後暖機運転手段と、停止後暖機運転時に、車両走行時に設定される通常上限充電率を超えてもバッテリ５５への充電を許可する充電許可手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、燃料電池システムを停止させるときに、燃料電池の運転を継続させて、燃料電池が所定温度まで上昇したことを確認してから停止させるものがある（特許文献１参照）。

特開２００３−１５１６０１号公報

燃料電池の昇温速度は、燃料電池の発電電力を増大させるほど熱損失が大きくなるので速くなる。しかしながら、燃料電池システムの停止後に通電可能な電気部品は、燃料電池の運転を継続させるために必要な最低限の補機類に限られるため、補機類が消費する電力以上の電力を発電することができなかった。そのため、燃料電池システムの停止後に燃料電池を所定温度まで上昇させるために必要な時間が長くなるという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの停止後における燃料電池の発電電力を増大させて、燃料電池の昇温速度を向上させることを目的とする。

本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電し、発電電力によって車両を走行させる燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、燃料電池の暖機時に燃料電池システムの停止指令がでたときに、暖機が終了するまで燃料電池の発電を継続して発電電力をバッテリに供給する停止後暖機運転手段と、停止後暖機運転時に車両走行時に設定される通常上限充電率を超えてもバッテリへの充電を許可する充電許可手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、停止後暖機運転時には、車両走行時に設定される通常上限充電率を超えてもバッテリへの充電を許可するので、停止後暖機運転時における燃料電池の発電電力を増大させることができる。これにより、停止後暖機運転時における燃料電池の昇温速度を向上させることができる。

本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの停止制御について説明するフローチャートである。 乾燥運転時間算出処理について説明するフローチャートである。 必要熱量と平均セル電圧とに基づいて、燃料電池スタックの温度が暖機完了温度になるまでの推定生成水収支量を算出するマップである。 外気温に基づいて、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサの回転速度を算出するテーブルである。 停止後暖機運転完了時の電解質膜の膜中の水分量と、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサの回転速度と、に基づいて乾燥運転時間を算出するマップである。 許容上限充電率算出処理について説明するフローチャートである。 目標充電電力算出処理について説明するフローチャートである。 暫定目標充電電力処理について説明するフローチャートである。 第１制限充電電力算出処理について説明するフローチャートである。 電力積算値に基づいてインバータの上昇温度を算出するテーブルである。 停止後暖機運転の実施時間、バッテリ温度及びバッテリ充電率に基づいて、第１制限充電電力を算出するマップである。 第２制限充電電力算出処理について説明するフローチャートである。 最低減少充電率に基づいて最低放電電力量を算出するテーブルである。 最低放電電力量とバッテリ温度とに基づいて、第２制限充電電力を算出するマップである。 乾燥運転処理について説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの停止制御の動作について説明するタイムチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの停止制御の動作について説明するタイムチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソードガス排出通路２４と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２４に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、減圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２４に接続される。

パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２４に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、水温センサ４７と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、三方弁４４と循環ポンプ４５との間の冷却水循環通路４１に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック冷却水温」という。）を検出する。本実施形態では、スタック冷却水温を燃料電池スタック１の温度として使用する。

電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。

駆動モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び駆動モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２３やＰＴＣヒータ４６などの補機類及び駆動モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６には、前述した水温センサ４７、電流センサ５１及び電圧センサ５２の他にも、外気温を検出する外気温センサ６１や、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システムの始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ６２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６３、バッテリ５５の充電率（以下「バッテリ充電率」という。）を検出するＳＯＣ（State Of Charge）センサ６４、バッテリ５５の温度を検出するバッテリ温度センサ６５などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。

コントローラ６は、これらの入力信号に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。

ここで、本実施形態のように燃料電池システム１００を車両に搭載する場合、外気温度が０℃を下回るような低温環境下においても、速やかな始動ができることが求められる。そのため、発電時の電極反応によって生じた水（以下「生成水」という。）の凍結に起因する次回始動時の発電性能の低下を抑制する必要がある。したがって、始動キーがオフにされた後に、次回始動時に備えてカソードコンプレッサ２３を駆動して燃料電池スタック１内の水分を外部に排出し、電解質膜を乾燥させる乾燥運転を実施することが望ましい。

燃料電池システム１００の始動後は、安定した発電を行える温度まで、電極反応によって発生した熱を利用して燃料電池スタック内の温度を上げる暖機運転が行われる。しかしながら、暖機運転中に始動キーがオフにされてしまうと、まだ暖機が完了しておらずスタック温度が相対的に低い状態なので、乾燥運転を実施しても生成水の凍結を防止できずに電解質膜を乾燥させることができないおそれがある。また、スタック温度が低い状態のときは、スタック温度が高い状態のときと比べて電解質膜を乾燥させるために必要な時間も長くなる。

したがって、暖機運転中に始動キーがオフにされたときは、引き続き暖機運転を実施し、暖気が完了した後に乾燥運転を実施するのが望ましい。以下、この暖機運転中に始動キーがオフにされた後に引き続き実施される暖機運転のことを「停止後暖機運転」という。

しかしながら、この停止後暖機運転は、始動キーがオフにされた後に実施されるものなので、停止後暖機運転の時間が長くなると、始動キーをオフにしてから燃料電池システム１００が完全に停止されるまでの時間が長くなる。そうすると、ドライバによっては違和感を覚えるおそれがあるので、できるだけ停止後暖機運転の時間は短くしたい。

燃料電池スタック１の昇温速度は、燃料電池スタック１の発電電力が大きくなるほど損失として外部へ放出される熱エネルギの量が多くなるので速くなる。したがって、停止後暖機運転の時間を短くするには、停止後暖機運転時の発電電力を大きくすることが有効である。

停止後暖機運転中の発電電力の供給先は、発電を継続させるとともに暖機を促進させるために駆動する必要のある補機類（カソードコンプレッサ２３、ＰＴＣヒータ４６及び冷却水循環ポンプ４５）及びバッテリ５５に限られる。このとき、補機類に供給可能な電力は概ね決まっているので、停止後暖機運転時の発電電力を増やすにはバッテリ５５への供給電力を増やすしかない。

ここで従来は、バッテリ５５への充電を禁止するバッテリ充電率（以下「上限充電率」という。）を、車両走行時における駆動モータ５３からの回生電力の受け入れや、高電位状態が長時間保持されることによるバッテリ５５の劣化を考慮して、７０％程度の比較的低いバッテリ充電率（以下「通常上限充電率」という。）に設定していた。

しかしながら、停止後暖機運転は、始動キーがオフにされた後に実施されるものなので、駆動モータ５３からの回生電力の受け入れのためにバッテリ充電率を通常上限充電率に制限する必要はない。また、高電位状態が長時間保持されることによるバッテリ５５の劣化に対しては、停止後暖機運転の後に実施される乾燥運転時にバッテリ５５の電力を消費してカソードコンプレッサ２３を駆動し、バッテリ充電率を通常上限充電率まで下げればよい。

そこで本実施形態では、停止後暖機運転時には、上限充電率を通常上限充電率よりも高くすることにした。これにより、停止後暖機運転時の発電電力を増やすことができるので、始動キーがオフにされてから燃料電池システム１００を完全に停止するまでの時間を短縮することができる。以下、この本実施形態による燃料電池システム１００の停止制御について説明する。

図２は、本実施形態による燃料電池システム１００の停止制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ６は、燃料電池システム１００の始動キーがオフになっているか否かを判定する。コントローラ６は、燃料電池システム１００の始動キーがオフになっていればステップＳ２の処理を行う。一方で、燃料電池システム１００の始動キーがオンになっていれば今回の処理を終了する。

ステップＳ２において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の暖機が完了しているか否かを判定する。具体的には、スタック冷却水温が、所定の暖機完了温度以上か否かを判定する。コントローラ６は、スタック冷却水温が暖機完了温度よりも低く、燃料電池スタック１の暖機が完了していないと判定したときは、ステップＳ３の処理を行う。一方で、スタック冷却水温が暖機完了温度以上で、燃料電池スタック１の暖機が完了していると判定したときは、ステップＳ７の処理を行う。

ステップＳ３において、コントローラ６は、停止後暖機運転の終了後に実施される乾燥運転の継続時間（以下「乾燥運転時間」という。）の算出処理を実施する。乾燥運転時間算出処理については、図３を参照して後述する。

ステップＳ４において、コントローラ６は、停止後暖機運転時の上限充電率（以下「許容上限充電率」という。）の算出処理を実施する。許容上限充電率算出処理については、図７を参照して後述する。

ステップＳ５において、コントローラ６は、停止後暖機運転時にバッテリ５５に供給する電力の目標値（以下「目標充電電力」という。）を算出する。目標充電電力算出処理については、図８を参照して後述する。

ステップＳ６において、コントローラ６は、目標充電電力をバッテリ５５に供給し、バッテリ５５を充電する。

ステップＳ７において、コントローラ６は、乾燥運転処理を実施する。乾燥運転処理については、図１６を参照して後述する。

以下、図３から図６を参照して乾燥運転時間算出処理について説明する。乾燥運転時間算出処理では、スタック冷却水温を暖機完了温度まで上昇させたときの電解質膜の膜中の水分量を推定し、乾燥運転時に駆動されるカソードコンプレッサ２３の回転速度に応じて電解質膜を乾燥させるために必要な時間を算出する。

図３は、乾燥運転時間算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、コントローラ６は、暖機完了温度と始動キーがオフにされたときのスタック冷却水温との温度差に、予め実験等によって求めておいた燃料電池スタック１の熱容量を掛けて、燃料電池スタック１の温度を暖機完了温度にするために必要な熱量（以下「必要熱量」という。）を算出する。

ステップＳ３２において、コントローラ６は、電圧センサ５２で検出した出力電圧を燃料電池スタック１の燃料電池の枚数で割ることで、各燃料電池の電圧の平均値（以下「平均セル電圧」という。）を算出する。

ステップＳ３３において、コントローラ６は、後述する図４のマップを参照し、必要熱量と平均セル電圧とに基づいて、スタック冷却水温が暖機完了温度になるまでの燃料電池スタック内における生成水の収支量（以下「推定生成水収支量」という。）を推定する。推定生成水収支量は、スタック冷却水温が暖機完了温度になるまでに発電によって生じる生成水量から、カソードガスによって水蒸気として燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量を引いたものと考えることができる。

ステップＳ３４において、コントローラ６は、推定生成水収支量と、始動キーがオフにされたときの電解質膜の膜中の水分量と、を足し合わせて、停止後暖機運転終了時の電解質膜の膜中の水分量を推定する。電解質膜の膜中の水分量は、例えば交流インピーダンス法によって燃料電池スタック１の内部抵抗を算出し、その内部抵抗に基づいて算出することができる。電解質膜の膜中の水分量と燃料電池スタック１の内部抵抗との間には相関関係があることが知られており、電解質膜の膜中の水分量が少なく、電解質膜が乾いた状態のときほど燃料電池スタック１１の内部抵抗は高くなる。

ステップＳ３５において、コントローラ６は、後述する図５のテーブルを参照し、外気温センサ６１で検出した外気温に基づいて、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサ２３の回転速度を推定する。

ステップＳ３６において、コントローラ６は、後述する図６のマップを参照し、停止後暖機運転完了時の電解質膜の膜中の水分量と、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサ２３の回転速度と、に基づいて乾燥運転時間を算出する。

図４は、必要熱量と平均セル電圧とに基づいて、燃料電池スタック１の温度が暖機完了温度になるまでの推定生成水収支量を算出するマップである。

図４に示すように、生成水収支量は、発熱量が大きくなるほど、また、平均セル電圧が高くなるほど多くなる。

図５は、外気温に基づいて、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサ２３の回転速度を算出するテーブルである。

図５に示すように、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサ２３の回転速度は、外気温が所定温度を超えるまでは、最大回転速度に設定される。しかしながら、カソードコンプレッサ２３を最大回転速度で駆動すると、外気温によっては吐出温度が仕様上定められた上限温度を超えるおそれがある。そこで、外気温が所定温度よりも高くなったときは、外気温が高くなるほど、カソードコンプレッサ２３の回転速度を低くすることにしたのである。

図６は、停止後暖機運転完了時の電解質膜の膜中の水分量と、乾燥運転時に駆動するカソードコンプレッサ２３の回転速度と、に基づいて乾燥運転時間を算出するマップである。

図６に示すように、乾燥運転時間は、停止後暖機運転完了時の電解質膜の水分量が多くなるほど、また、乾燥運転時のカソードコンプレッサ２３の回転速度が低くなるほど長くなる。

次に、図７を参照して許容上限充電率算出処理について説明する。許容上限充電率算出処理では、カソードコンプレッサ２３を乾燥運転時間だけ駆動したときの消費電力量に応じて、停止後暖機運転時の許容上限充電率を算出する。これは、停止後暖機運転時において、バッテリ充電率を乾燥運転時の消費電力量に相当する充電率分だけ通常上限充電率よりも増加させても、停止後暖機運転の終了後に実施される乾燥運転時にその充電率分は低下させることができるためである。

図７は、許容上限充電率算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ４１において、コントローラ６は、乾燥運転時に駆動されるカソードコンプレッサ２３の回転速度に基づいて、乾燥運転時のカソードコンプレッサ２３の消費電力を算出する。

ステップＳ４２において、コントローラ６は、乾燥運転時間と、乾燥運転時のカソードコンプレッサ２３の消費電力と、を掛け合わせて、乾燥運転時の消費電力量を算出する。この乾燥運転時の消費電力量は、換言すれば暖機運転時にバッテリ５５に充電可能な電力量である。

ステップＳ４３において、コントローラ６は、乾燥運転時の消費電力量をバッテリ容量で割ることで、乾燥運転時の消費電力量、すなわち暖機運転時にバッテリ５５に充電可能な電力量［ｋＷ］をバッテリ充電率［％］に変換する。以下では、この暖機運転時に許容できるバッテリ充電率の増加量を「許容増加充電率」という。

ステップＳ４４において、コントローラ６は、始動キーをオフにしたときのバッテリ充電率に、許容増加充電率を足して、暫定許容上限充電率を算出する。

ステップＳ４５において、コントローラ６は、暫定許容上限充電率と限界上限充電率との大小を比較して、小さいほうを許容上限充電率として算出する。限界上限充電率は、バッテリ５５の規格によって決まる充電率であって、本実施形態では８５％に設定される。

次に、図８から図１５を参照して目標充電電力算出処理について説明する。目標充電電力算出処理では、基本的に停止後暖機運転終了時にバッテリ充電率が許容上限充電率となるようにバッテリ５５の充電電力を算出する。しかしながら、バッテリ５５の充電電力は、バッテリ５５の電力入力特性によって制限される。また、バッテリ５５の温度が、バッテリ５５ごとに予め決められている管理上限温度を超えないように充電する必要がある。そこで本実施形態では、バッテリ５５の電力入力特性及び温度も考慮してバッテリ５５の目標充電電力を算出する。

図８は、目標充電電力算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ５１において、コントローラ６は、停止後暖機運転終了時にバッテリ充電率を許容上限充電率にするために必要な充電電力（以下「暫定目標充電電力」という。）の算出処理を実施する。暫定目標充電電力算出処理については、図９を参照して後述する。

ステップＳ５２において、コントローラ６は、バッテリ５５の電力入力特性によって制限されるバッテリ５５の上限充電電力（以下「第１制限充電電力」という。）の算出処理を実施する。第１制限充電電力算出処理については、図１０を参照して後述する。

ステップＳ５３において、コントローラ６は、バッテリ５５の温度によって制限されるバッテリ５５の上限充電電力（以下「第２制限充電電力」という。）の算出処理を実施する。第２制限充電電力については、図１３を参照して後述する。

ステップＳ５４において、コントローラ６は、暫定目標充電電力、第１制限充電電力及び第２制限充電電力のうち、最も小さいものをバッテリ５５の目標充電電力として算出する。

図９は、暫定目標充電電力処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ５１１において、コントローラ６は、許容上限充電率からＳＯＣセンサ６４で検出されたバッテリ充電率を引いたものにバッテリ容量を掛けて、バッテリ充電率を許容上限充電率にするためにバッテリ５５に充電する必要のある電力量（以下「暫定目標充電電力量」という。）を算出する。

ステップＳ５１２において、コントローラ６は、暫定目標充電電力量を乾燥運転時間で割って、暫定目標充電電力を算出する。

図１０は、第１制限充電電力算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ５２１において、コントローラ６は、図１１のマップを参照し、燃料電池スタック１の発電電力と平均セル電圧とに基づいて、単位時間当たりの燃料電池スタック１の発熱量を算出する。

ステップＳ５２２において、コントローラ６は、必要熱量を燃料電池スタック１の発熱量で割ることで、停止後暖機運転の実施時間、すなわち、スタック冷却水温が暖機完了温度に到達するまでに必要な時間を算出する。

ステップＳ５２３において、コントローラ６は、図１２のマップを参照し、停止後暖機運転の実施時間、バッテリ温度及びバッテリ充電率に基づいて、第１制限充電電力を算出する。

図１１は、燃料電池スタック１の発電電力と平均セル電圧とに基づいて、単位時間当たりの燃料電池スタック１の発熱量を算出するマップである。

図１１に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が大きくなるほど、また、平均セル電圧が低くなるほど、燃料電池スタック１の発熱量は大きくなる。

図１２は、停止後暖機運転の実施時間、バッテリ温度及びバッテリ充電率に基づいて、第１制限充電電力を算出するマップである。

図１２に示すように、バッテリ充電率が高くなるほど、また、バッテリ温度が低くなるほど、第１制限充電電力は小さくなる。一方、停止後暖機運転の実施時間が短くなるほど、図中破線で示したように、第１制限充電電力は大きくなる。

図１３は、第２制限充電電力算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ５３１において、コントローラ６は、ＳＯＣセンサ６４で検出したバッテリ充電率から通常上限充電率を引いて、乾燥運転時に最低限減らさなければならないバッテリ充電率（以下「最低減少充電率」という。）を算出する。

ステップＳ５３２において、コントローラ６は、図１４のテーブルを参照し、最低減少充電率に基づいて、燃料電池システム１００の停止時にバッテリ充電率を通常上限充電率まで低下させるために最低限放電しなくてはならない電力量（以下「最低放電電力量」という。）を算出する。

ステップＳ５３３において、コントローラ６は、図１５のマップを参照し、最低放電電力量とバッテリ温度とに基づいて、第２制限充電電力を算出する。

図１４は、最低減少充電率に基づいて最低放電電力量を算出するテーブルである。

図１４に示すように、最低減少充電率が負の値のときは、最低放電電力量はゼロとなる。一方で、最低減少充電率が正の値のときは、最低限小充電率が大きくなるほど最低放電電力量も大きくなる。

図１５は、最低放電電力量とバッテリ温度とに基づいて、第２制限充電電力を算出するマップである。

図１５に示すように、最低放電電力が大きくなるほど、また、バッテリ温度が低くなるほど、第２制限充電電力は大きくなる。

次に、図１６を参照して乾燥運転処理について説明する。乾燥運転処理では、乾燥運転の終了時、すなわち燃料電池システム１００を完全に停止させるときに、バッテリ充電率が通常上限充電率以下となるように、カソードコンプレッサ２３及びその他の補機類を駆動する。

図１６は、乾燥運転処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ７１において、コントローラ６は、ＳＯＣセンサ６４で検出したバッテリ充電率から通常上限充電率を引いたものにバッテリ容量を掛けて、最低放電電力量を算出する。

ステップＳ７２において、コントローラ６は、最低放電電力量を乾燥運転時間で割って、バッテリ５５の最低放電電力を算出する。

ステップＳ７３において、コントローラ６は、バッテリ５５の最低放電電力と、カソードコンプレッサ２３の消費電力と、の大小を比較する。コントローラ６は、バッテリ５５の最低放電電力がカソードコンプレッサ２３の消費電力以上のときは、ステップＳ７４の処理を行う。一方で、バッテリ５５の最低放電電力がカソードコンプレッサ２３の消費電力未満のときは、ステップＳ７５の処理を行う。

ステップＳ７４において、コントローラ６は、バッテリ５５の電力によってカソードコンプレッサ２３を駆動するとともに、バッテリ５５の放電電力が最低放電電力以上となるように、カソードコンプレッサ２３以外の補機類に対してもバッテリ５５の電力を供給する。この場合は、燃料電池スタック１の発電は停止される。

ステップＳ７５において、コントローラ６は、バッテリ５５の電力と燃料電池スタック１の発電電力とによって、カソードコンプレッサ２３を駆動する。

ステップＳ７６において、コントローラ６は、乾燥運転が開始されてから乾燥運転時間が経過したか否かを判定する。コントローラ６は、乾燥運転時間が経過していなければ今回の処理を終了する。一方で、乾燥運転時間が経過していればステップＳ７７の処理を行う。

ステップＳ７７において、コントローラ６は、カソードコンプレッサ２３に対する電力供給を停止して燃料電池システム１００を完全に停止させる。

図１７は、本実施形態による燃料電池システム１００の停止制御の動作について説明するタイムチャートである。なお、このタイムチャートは、目標充電電力算出処理において、目標暫定充電電力が目標充電電力として設定された場合のタイムチャートである。また、発明の理解を容易にするため、停止後暖機運転時の上限充電率を通常上限充電率に制限した場合のタイムチャートを比較例として示した。

時刻ｔ１で、暖機運転中に始動スイッチがオフにされると、停止後暖機運転が開始される。

ここで、比較例の場合は、停止後暖機運転中の上限充電率が通常上限充電率に制限されるため、時刻ｔ２でバッテリ充電率が通常上限充電率に到達すると、バッテリ５５への充電電力がゼロになる。そのため、時刻ｔ２以降は、燃料電池スタック１の発電電力が減少して燃料電池スタック１の昇温速度が低下する。

これに対して本実施形態の場合は、停止後暖機運転中の上限充電率が通常上限充電率よりも高い大きい許容上限充電率に設定されるため、時刻ｔ２でバッテリ充電率が通常上限充電率に到達した後も、バッテリ５５への充電が継続される。

そのため、時刻ｔ２以降も燃料電池スタック１の発電電力の減少がないので、燃料電池スタック１の昇温速度が比較例よりも速くなる。その結果、スタック冷却水温が暖機完了温度まで到達する時刻が比較例では時刻ｔ６であるのに対し、本実施形態では時刻ｔ４となり、本実施形態ではスタック冷却水温が暖機完了温度まで到達する時刻が比較例よりも早くなる。

時刻ｔ３で、スタック冷却水温が暖機完了温度に到達すると、停止後暖機運転が終了して乾燥運転が実施される。乾燥運転が開始されると、バッテリ充電率が通常上限受電率まで低下するようにバッテリ５５の電力をカソードコンプレッサ２３に供給する。これにより、カソードコンプレッサ２３を駆動して電解質膜を乾燥させる。

時刻４で、乾燥運転開始からの時間が乾燥運転時間になると、乾燥運転が終了される。

図１８は、本実施形態による燃料電池システム１００の停止制御の動作について説明するタイムチャートである。なお、このタイムチャートは、充電電力算出処理において、第２制限充電電力が目標充電電力として設定された場合のタイムチャートである。

時刻ｔ１１で、暖機運転中に始動スイッチがオフにされると、停止後暖機運転が開始される。

停止後暖機運転中は、燃料電池スタック１の発電電力がバッテリ５５に供給され、それに伴ってバッテリ５５の充電率及びバッテリ温度が上昇する。このとき、前述した図１５のマップに示すように、第２制限充電電力はバッテリ温度が高くなるにつれて小さくなる。

そのため、時刻ｔ１２で、第２制限充電電力が暫定目標充電電力よりも小さくなると、充電電力が第２制限充電電力に制限され、時刻ｔ１２以降は、バッテリ温度の上昇にあわせてバッテリ５５充電電力も減少する。バッテリ５５充電電力が減少することで、バッテリ温度の上昇が抑えられる。

時刻ｔ１３で、スタック冷却水温が暖機完了温度に到達すると、停止後暖機運転が終了して乾燥運転が実施される。乾燥運転が開始されると、バッテリ充電率が通常上限受電率まで低下するようにバッテリ５５の電力をカソードコンプレッサ２３に供給する。このとき、バッテリ５５の電力をカソードコンプレッサ２３に供給することによって、バッテリ５５の温度が上昇するが、停止後暖機運転時に充電電力が制限されてバッテリ温度の上昇が抑制されているので、乾燥運転時にバッテリ温度が上限温度よりも高くなるのを抑制できる。

以上説明した本実施形態によれば、暖機運転中に始動キーがオフにされたときは、停止後暖機運転を実施した後に乾燥運転を実施することにした。そして、停止後暖機運転時には、バッテリ充電率が車両走行時に設定される通常上限充電率を超えてもバッテリ５５への充電を許可することにした。

これにより、停止後暖機運転時には、バッテリ充電率が通常上限充電率を超えた後も燃料電池スタック１の発電電力をバッテリ５５に供給することができるので、発電電力の低下を抑制することができる。これにより、停止後暖機運転時の燃料電池スタック１の昇温速度の低下を抑制でき、始動キーがオフにされてから乾燥運転が開始されるまでの時間を短縮することができる。

また本実施形態によれば、乾燥運転時には、バッテリ５５の充電率が少なくとも通常上限充電率まで低下するように、バッテリ５５の電力を消費してカソードコンプレッサ２３を駆動し、電解質膜を乾燥させることにした。

これにより、乾燥運転終了時には、必ずバッテリ充電率が通常上限充電率以下となっているので、次回始動時まで期間が長くなったとしても、高電位状態が長時間保持されることがない。そのため、バッテリ５５の劣化を抑制することができる。

また本実施形態によれば、停止後暖機運転時にバッテリ５５に供給する電力を、バッテリ５５の電力入力特性に応じて制限することにした。

これにより、バッテリ５５の特性に応じた最適な充電を行うことができる。

また本実施形態によれば、乾燥運転終了時にバッテリ温度が管理上限温度を超えないように、バッテリ温度に応じて停止後暖機運転時にバッテリ５５に供給する電力を制限することにした。

これにより、バッテリ温度が管理上限温度よりも高くなるのを抑制でき、バッテリ５５の劣化を抑制することができる。

また本実施形態によれば、乾燥運転時のバッテリの消費電力を、通常上限充電率とバッテリ充電率の差分が小さくなるにつれて少なくなるようにした。

これにより、次回始動時において、バッテリ充電率が低くなりすぎるのを抑制でき、燃料電池システムを起動するために必要な電力を確実に確保することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
５５ バッテリ
１００ 燃料電池システム
Ｓ３〜Ｓ６ 停止後暖機運転手段
Ｓ４ 充電許可手段
Ｓ７ 乾燥運転手段
Ｓ３４ 水分量推定手段
Ｓ３６ 乾燥運転時間推定手段
Ｓ４２ 消費電力量算出手段
Ｓ４５ 上限充電率算出手段
Ｓ７４、Ｓ７５ 放電手段

Claims (8)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電し、発電電力によって車両を走行させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の暖機時に前記燃料電池システムの停止指令がでたときは、暖機が終了するまで前記燃料電池の発電を継続し、発電電力をバッテリに供給する停止後暖機運転手段と、
   停止後暖機運転時に、車両走行時に設定される通常上限充電率を超えても前記バッテリへの充電を許可する充電許可手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 停止後暖機運転の終了後に、前記燃料電池内の水分量を減少させる乾燥運転手段と、
   乾燥運転時に、前記バッテリの電力を消費し、少なくとも前記バッテリの充電率を前記通常上限充電率まで低下させる放電手段と、
   を備える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. 前記充電許可手段は、
   前記燃料電池の温度を暖機完了温度まで上昇させたときの燃料電池内の水分量を推定する水分量推定手段と、
   前記燃料電池内の水分量に基づいて、乾燥運転の継続時間を推定する乾燥運転時間推定手段と、
   前記乾燥運転の継続時間に基づいて、乾燥運転時の消費電力量を推定する消費電力量推定手段と、
   前記乾燥運転時の消費電力量に基づいて、停止後暖機運転時における前記バッテリの上限充電率を算出する上限充電率算出手段と、
   を備え、
   前記バッテリの充電率が前記上限充電率になるまで前記バッテリへの充電を許可する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記停止後暖機運転手段は、
   停止後暖機運転の終了時に前記バッテリの充電率が前記上限充電率となるように、前記上限充電率と前記バッテリの充電率との差分に基づいて前記バッテリへの最大供給電力を算出し、その最大供給電力を前記バッテリへ供給する、
   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. 前記停止後暖機運転手段は、
   前記バッテリの電力入力特性に基づいて、前記バッテリに供給可能な供給可能電力を算出し、
   前記最大供給電力が前記供給可能電力よりも大きいときは、その供給可能電力を前記バッテリに供給する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記停止後暖機運転手段は、
   前記バッテリの温度が前記乾燥運転の終了時に所定の上限温度を超えないように、前記バッテリの温度に基づいて、前記バッテリに供給可能な供給可能電力を算出し、
   前記最大供給電力が前記供給可能電力よりも大きいときは、その供給可能電力を前記バッテリに供給する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記停止後暖機運転手段は、
   前記バッテリの温度が高くなるほど、前記バッテリに供給可能な供給可能電力を小さくする、
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記放電手段は、
   乾燥運転時の前記バッテリの充電率と前記通常上限充電率との差分が大きいときほど、前記バッテリの消費電力を大きくして、前記バッテリの充電率を前記通常上限通電率まで低下させる、
   ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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