JP2014060031A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両が衝突する前に予め燃料電池の起電力を低下可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】車両に搭載され、ガス流路１２，１３を備え、ガス流路１２，１３に反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池１０と、前記車両の衝突可能性を検出する衝突予測手段４０，５０と、燃料電池１０内のガス流路１２，１３を掃気する掃気手段３０と、衝突予測手段４０，５０により衝突可能性が高いと予測された場合に、燃料電池１０内のガス流路１２，１３を掃気手段３０によって掃気して、燃料電池１０の起電力を低下させる制御手段４０と、を備えることを特徴とする、燃料電池システム１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

車載燃料電池発電システムにおいて、車両の衝突可能性を予測する予測手段と、車載燃料電池発電システムを停止する停止手段とを備え、前記予測手段が、衝突可能性が高いと判断した場合に、前記停止手段が車載燃料電池発電システムを停止する車載燃料電池発電システム（を制御する制御装置）が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−３４９１１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術において燃料電池システムが停止されるとき、システムに備えられる燃料電池は依然として高い起電力を維持している。即ち、衝突可能性が高いときに燃料電池システムが停止されるものの、もし、そのまま衝突した場合には、燃料電池の起電力が高いまま、車両が衝突することになる。

そこで、本発明が解決すべき課題は、車両が衝突する前に予め燃料電池の起電力を低下可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明は、車両に搭載され、ガス流路を備え、前記ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記車両の衝突可能性を予測する衝突予測手段と、前記燃料電池内のガス流路を掃気する掃気手段と、前記衝突予測手段により衝突可能性が高いと予測された場合に、前記燃料電池内のガス流路を前記掃気手段によって掃気して、前記燃料電池の起電力を低下させる制御手段と、を備えることを特徴とする、燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、車両の衝突可能性が高いときに、燃料電池内のガス流路を掃気し、燃料電池の起電力を低下させることができる。これにより、車両が衝突する前に、予め燃料電池の起電力を低下させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電手段を備え、前記制御手段は、前記車両の衝突可能性が高いと判断した場合に、前記蓄電手段に蓄電された電力により前記車両を駆動させた後、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止し、前記車両の衝突回避が不可能であると判断した場合に、前記蓄電手段を電気的に遮断することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電が停止した場合でも蓄電手段が接続されているため、衝突を回避可能な場合に、車両が停止することなく、走行し続けることができる。また、衝突を回避できずに車両が衝突したときに、蓄電手段に蓄電された電力の漏出をより確実に防止することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記衝突予測手段により予測された衝突が所定の基準よりも重大な衝突である場合に、前記燃料電池内のガス流路を前記掃気手段によって掃気することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、掃気時にガスを通流させることによる、燃料電池を構成する部材への負荷を減少させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記掃気手段は、前記燃料電池内のガス流路に供給する掃気ガスの流量を制御可能になっており、前記制御手段は、前記車両の衝突可能性が高いと判断した場合に、前記燃料電池内のガス流路に供給する掃気ガスの流量が多くなるように、前記掃気手段を制御することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、ガス流路に速やかに掃気ガスを大量に通流することができる。これにより、掃気を素早く実行することができ、燃料電池の起電力を素早く低下させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスであり、前記ガス流路は、燃料ガスが通流する燃料ガス流路と、酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス流路とであり、前記酸化剤ガス流路を通流するガスの通流方向下流に、前記酸化剤ガス流路から排出されたガス流量を制御可能な弁が備えられ、前記制御手段は、前記車両の衝突可能性が高いと判断した場合に、前記弁の開度を小さくすることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、背圧弁を制御することで、燃料ガス流路側の圧力よりも、酸化剤ガス流路側の圧力を高くすることができる。これにより、酸化剤ガス流路よりも燃料ガス流路に掃気ガスを供給し易くなり、燃料ガス流路中の燃料ガスを速やかに排出することができる。

本発明によれば、車両が衝突する前に予め燃料電池の起電力を低下可能な燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける制御フローである。 衝突回避不可能時の各手段の制御を示す図である。 衝突回避可能時の各手段の制御を示す図である。 本実施形態の別の燃料電池システムにおける制御フローである。

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。

［１．燃料電池システムの構成］
図１は、本実施形態の燃料電池システム１００の構成を示す図である。燃料電池システム１００は、図示しない車両（自動車等）に搭載されるものである。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードガス流路１２に対して水素（燃料ガス）を供給排出するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードガス流路１３に対して空気（酸化剤ガス）を供給排出するカソード系と、燃料電池スタック１０の電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０（制御手段、衝突予測手段）と、車両の衝突可能性を予測するミリ波レーダ５０（衝突予測手段）とを、主に備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００枚〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成され、単セル１１は直列に接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）と、これを挟持する２枚の導電性セパレータと、を備えている。なお、単セル１１の詳細な構造は図示していない。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等により構成される電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するアノード及びカソード（いずれも電極）とを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（白金、ルテニウム等）と、を含んでいる。各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セル１１に水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されている。そして、これらの溝及び貫通孔が、アノードガス流路１２（ガス流路（燃料ガス流路））及びカソードガス流路１３（ガス流路（酸化剤ガス流路））として機能している。

アノードガス流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こる。また、カソードガス流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こる。これらにより、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）；開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と後記するモータ４１等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・式（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ ・・・式（２）

式（２）に示すように、カソードでは水分（水蒸気）が生成する。そのため、カソードから排出されるガスは多湿となり、水分（水蒸気、結露水等）を含む。また、生成した水分の一部はＭＥＡを透過し、アノードガス流路１２にクロスリークするので、アノードから排出されるガスも多湿となり、水分を含むものとなる。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２０と、遮断弁２１と、エグゼタ２２と、気液分離器２３と、パージ弁２４と、掃気ガス排出弁２５と、ドレン弁２６とを備えて構成されている。

水素タンク２０は、遮断弁２１及びエグゼタ２２を経由して、燃料電池スタック１０のアノードガス流路１２の入口に接続されている。また、アノードガス流路１２の出口は、気液分離器２３、パージ弁２４、掃気ガス排出弁２５及びドレン弁２６を経由して、後記する希釈器２７に接続されている。さらに、気液分離器２３とエグゼタ２２は直接接続され、アノードガス流路１２から排出されたガスは、気液分離器２３を通ってエグゼタ２２に戻されるようになっている。エグゼタ２２に戻されたガスは、再びアノードガス流路１２に供給されるようになっている。

気液分離器２３は、アノードガス流路１２から排出されたガス中の水分を、当該ガスから除去するものである。水分が除去されたガスは、エグゼタ２２を通じて、再び燃料電池スタック１０に供給されるようになっている。前記のように、燃料電池スタック１０から排出されたガスには、化学反応に伴って生じる水分が含まれている。そこで、燃料電池スタック１０から排出されたガス中の水分を気液分離器２３により除去し、除去後のガスが再び燃料電池スタック２３に戻されるようになっている。

気液分離器２３によるガスと水分との分離方式は、例えば、流路断面積を徐々に増大させてガス流速を徐々に低下させ、水分をその自重によって留まらせて分離する方式、低温冷媒が通流する冷媒管によってガス中の水蒸気を結露させて分離する方式、流路を蛇行又は旋回させ、水分に遠心力を作用させて分離する方式等である。

気液分離器２３において除去された水分は、気液分離器２３に接続されているドレン弁２６により、希釈器２７に排出される。また、燃料電池スタック１０、気液分離器２３及びエグゼタ２２をガスが循環し続けると、ガス中に窒素等が多く含まれるようになることがある。そこで、そのような場合には、気液分離器２３に接続されているパージ弁２４を開放して、希釈器２７に燃料ガスを排出するようになっている。

なお、詳細は後記するが、燃料電池スタック１０の掃気時、アノードガス流路１２に導入された掃気ガスは、掃気ガス排出弁２５を通って希釈器２７に排出されるようになっている。この掃気ガスは、アノード系とカソード系とを接続する掃気ガス導入弁３３を通って、カソード系のポンプ３０により導入されるようになっている。この点についての詳細は、［２．燃料電池システムの制御］において後記する。

＜カソード系＞
カソード系は、ポンプ３０と、加湿器３１と、背圧弁３２と、を備えて構成されている。

ポンプ３０は、加湿器３１を経由して、燃料電池スタック１０のカソードガス流路１３の入口に接続されている。また、カソードガス流路１３の出口は、加湿器３１及び背圧弁３２を経由して、後記する希釈器２７に接続されている。

ポンプ３０は、車外から空気を取り込み、燃料電池スタックのカソードガス流路１３に供給するものである。カソードガス流路１３に供給された空気が用いられ、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。また、詳細は［２．燃料電池システムの制御］において後記するが、掃気ガス導入弁３３が開弁することにより、掃気ガスとしての空気が、アノードガス流路１２にも供給されるようになっている。この場合、ポンプ３０は、掃気手段として機能することになる。

ポンプ３０は、インバータ制御され、回転速度が変化することにより、燃料電池スタック１０に供給される空気の量を変化させることができるようになっている。具体的には、ポンプ３０の回転速度が早くなると供給される空気量が増加し、ポンプ３０の回転速度が遅くなると供給される空気量が減少するようになっている。

加湿器３１は、内部を通流する空気を加湿するものである。加湿器３１は、水分透過性を有する中空糸膜を備えている。前記のように、燃料電池スタック１０から排出されるガスには、水分が含まれている。そこで、加湿器３１に備えられている中空糸膜を介して、カソードガス流路１３に向かう空気と、カソードガス流路１３から排出された多湿のガスとの間で水分交換させ、カソードガス流路１３に向かう空気が加湿される。これにより、湿った空気がカソードガス流路１３を通流し、燃料電池スタック１０を構成する固体高分子膜（図示しない）が加湿されるようになっている。

背圧弁３２（弁）は、カソードガス流路１３を通流する空気（ガス）の通流方向下流に設けられ、カソードガス流路１３から排出されたガス流量を制御可能なものである。背圧弁３２の開度を調整することにより、カソード系の圧力を変化可能になっている。背圧弁３２は例えばバタフライ弁等により構成される。

カソード系では、ポンプ３０において外部から取り込まれた空気は、加湿器３１に供給されて加湿される。加湿器３１において加湿された空気は、燃料電池スタック１０のカソードガス流路１３を通流し、燃料電池スタック１０の発電に使用される。この発電に伴い、前記したように、水が生成する。そのため、カソードガス流路１３から排出されたガスは、加湿器３１においてカソードガス流路１３に向かう空気を加湿したあと、背圧弁３２を経由して希釈器２７に排出される。

＜希釈器＞
希釈器２７は、アノード系から排出された水素を、カソード系から排出された空気等により希釈するものである。これにより、水素濃度を低下させて、アノード系から排出された水素が車外に排出されるようになっている。また、アノード系から排出された水分も、希釈器２７を経由して、車外に排出されるようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、モータ４１及びバッテリ４２を備えて構成されている。電力消費系は、ＦＣコンタクタ４４、インバータ４５及びバッテリコンタクタ４６を介して、燃料電池スタック１０の電力取り出し端子（図示しない）に接続されている。また、ＦＣコンタクタ４４、インバータ４５及びバッテリコンタクタ４６は、電気信号線により、ＥＣＵ４０に接続されている。従って、ＥＣＵ４０がＦＣコンタクタ４４、インバータ４５及びバッテリコンタクタ４６を制御することにより、電力消費系の通電制御が為されるようになっている。

ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１００を制御するものである。ＥＣＵ４０は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を備えて構成されている。ＥＣＵ４０は、ＲＯＭやＨＤＤ等に格納された所定のプログラムがＲＡＭ等に展開され、ＣＰＵにより実行されて具現化される。

モータ４１は、三相交流により駆動するモータ（三相交流モータ）である。燃料電池スタック１０が発電する電力は直流であるため、後記するインバータ４５によって交流に変換された電力が、モータ４１に供給されるようになっている。なお、燃料電池スタック１０が発電した直流の電力は、直流のままバッテリ４２に蓄電されるようになっている。

ＦＣコンタクタ４４は、燃料電池スタック１０からのモータ４１及びバッテリ４２への通電を制御するものであり、接続モードと遮断モードとが切り替え可能になっている。即ち、ＦＣコンタクタ４４が接続モードのときは、燃料電池スタック１０からの電力がモータ４１及びバッテリ４２に供給されるようになっている。また、ＦＣコンタクタ４４が遮断モードのときは、燃料電池スタック１０からの電力はモータ４１及びバッテリ４２に供給されない（電気的に遮断される）ようになっている。

インバータ４５は、力行時に、燃料電池スタック１０又はバッテリ４２からの直流の電力を交流の電力に変換し、交流に変換された電力をモータ４１に供給するものである。また、インバータ４５は、回生時には、モータ４１からの交流の電力を直流の電力に変換し、バッテリ４２に供給するようにもなっている。インバータ４５は、図示しない半導体スイッチング素子等を備え、これにより、電力の変換が行われるようになっている。

バッテリコンタクタ４６は、バッテリ４２に対する通電を制御するものであり、ＦＣコンタクタ４４と同様に、接続モードと遮断モードとが切り替え可能になっている。即ち、バッテリコンタクタ４６が接続モードのときは、バッテリ４２とモータ４１等とが電気的に接続され、電力を相互に授受可能になっている。また、バッテリコンタクタ４６が遮断モードのときは、バッテリ４２がモータ４１等から電気的に遮断される（即ち、燃料電池システム１００から電気的に切り離される）ようになっている。

なお、車両の力行時には、ＦＣコンタクタ４４及びバッテリコンタクタ４６は、いずれも、接続モードになっている。従って、燃料電池スタック１０からの電力はモータ４１の駆動に用いられるとともに、バッテリ４２にも供給されて蓄電されるようになっている。そして、バッテリ４２に蓄電された電力は、ＦＣコンタクタ４４が遮断モードに切り替えられ、燃料電池スタック１０からの電力が途絶えたときに、モータ４１の駆動に用いられるようになっている。また、回生時には、ＦＣコンタクタ４４は遮断モード、バッテリコンタクタ４６は接続モードとなり、モータ４１からの電力がバッテリ４２に供給されて蓄電されるようになっている。

ＥＣＵ４０には、ミリ波レーダ５０が接続されている。ミリ波レーダ５０は、前方の車両や障害物までの距離及び相対速度を測定するものである。また、ミリ波レーダ５０は、例えば割り込みや飛び出し等により前方に突然車両や歩行者が表れるなどした場合にも、これらを検出可能である。ミリ波レーダ５０はドップラー効果を利用したものであり、前方に照射したミリ波帯の電波が戻ってきたときの周波数変化により、前方の車両や障害物までの距離及び相対速度を測定可能になっている。

ＥＣＵ４０は、ミリ波レーダ５０により測定された距離及び相対速度に基づき算出される衝突余裕時間（衝突までに要される時間）に応じ、自車の衝突可能性を予測するようになっている。即ち、ＥＣＵ４０及びミリ波レーダ５０は衝突予測手段である。衝突可能性の予測については、［２．燃料電池システムの制御］において後記する。

［２．燃料電池システムの制御］
次に、燃料電池システム１００の制御について説明する。前記のように、燃料電池システム１００は、図１に示すＥＣＵ４０により制御される。

本実施形態の燃料電池システム１００においては、車両の衝突可能性が高くなった場合（具体的には、衝突余裕時間が所定値以下になったとき）に、燃料電池スタック１０内のアノードガス流路１２及びカソードガス流路１３（ガス流路１２，１３）が掃気ガスにより掃気される。これにより、車両の衝突可能性が高くなった場合に、速やかに燃料電池スタック１０の起電力を低下させることができる。

＜全体のフロー＞
車両が通常駆動されているとき、ＥＣＵ４０は、ミリ波レーダ５０により、前方の車両等までの距離及び相対速度を常時測定している。そして、自車と前方の車両（他車）等との間の距離（車間）と相対速度とにより算出される衝突余裕時間（ＴＴＣ；Time to Collision）が予め定められた所定値よりも大きい場合には（ステップＳ１０１のＮｏ方向）、ＥＣＵ４０は車両の衝突可能性が低いと判断して、図２に示すステップＳ１０２〜Ｓ１１２は行われない。

具体的には、例えば、車間が長い場合には衝突余裕時間が長くなるため、衝突可能性が低いと判断される。また、例えば、相対速度が小さい場合にも衝突余裕時間が長くなるため、衝突可能性が低いと判断される。なお、衝突余裕時間は、車間を相対速度で除することで算出可能である。また、ステップＳ１０１で判断される「衝突余裕時間の所定値」は、例えば、自車の性能、自車の速度、天気等により、適宜変更可能である。

しかしながら、前方に急に他車が表れて車間が短くなったり、他車が急に減速して相対速度が大きくなったりした場合等、衝突余裕時間が所定値以下になった場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ方向）、ＥＣＵ４０は、衝突可能性が高いと判断し、図示しない鳴動手段を駆動させてアラーム警報を発生させる（ステップＳ１０２）。これにより、運転者への注意が促される。

衝突可能性が高いと判断した（予測した）ＥＣＵ４０は、ＦＣコンタクタ４４のモードを遮断モードに切り替える（ステップＳ１０３）。これにより、モータ４１は、燃料電池スタック１０からの電力ではなく、バッテリ４２に蓄電された電力により駆動されるようになる。即ち、モータ４１のバッテリ駆動が開始される（ステップＳ１０４）。ＥＣＵ４０は、モータ４１のバッテリ駆動開始を確認した後、遮断弁２１を閉弁し、燃料電池スタック１０（ＦＣ）への水素の供給を停止する（ステップＳ１０５）。

そして、ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０内のガス流路１２，１３の掃気を開始する（ステップＳ１０６）。掃気により、アノードガス流路１２内の水素が外部に速やかに排出され、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣが、掃気前の起電力Ｖ_１から速やかに低下する。掃気時における各手段の動作については、図３及び図４を参照しながら後記する。

燃料電池スタック１０の掃気中、ＥＣＵ４０は、電圧計４３により、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣを常時監視している。そして、燃料電池スタック１０の掃気は、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣ（電圧計４３により測定される電圧）が予め定められた所定値Ｖ_０になるまで行われる（ステップＳ１０７のＮｏ方向）。起電力Ｖ_ＦＣが予め定められた所定値Ｖ_０を下回ったとき（ステップＳ１０７のＹｅｓ方向）、ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０（ＦＣ）の掃気を終了する（ステップＳ１０８）。なお、掃気後も、若干の水素がアノードガス流路１２に残存するため、残存する水素が用いられて起電力がわずかではあるが発生する。

掃気終了後、ＥＣＵ４０は、車両の衝突が回避不可能であるかどうかを判断する（ステップＳ１０９）。もし車両の衝突が回避不可能であるなら、車両は衝突することになる。本実施形態においては、衝突余裕時間が、ステップＳ１０１で判断された衝突余裕時間Ｔ_０よりも短い時間である衝突余裕最小時間Ｔ_１以下となった場合に、車両の衝突が回避不可能であると判断される。そして、車両の衝突が回避不可能とＥＣＵ４０が判断した場合（ステップＳ１０９のＹｅｓ方向）、ＥＣＵ４０はバッテリコンタクタ４６を遮断モードに切り替える（ステップＳ１１０）。これにより、バッテリ４２が燃料電池システム１００から電気的に切り離される。

一方で、掃気終了後に車両の衝突が回避可能の場合（ステップＳ１０９のＮｏ方向、例えば掃気終了後に算出された衝突余裕時間がＴ_１よりも長い場合等）、ＥＣＵ４０は燃料電池スタック１０（ＦＣ）の発電を再開する（ステップＳ１１１）。そして、ＥＣＵ４０は、電圧計４３により測定される燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣが、掃気前の起電力Ｖ_１と同じになったときに、ＦＣコンタクタ４４を接続モードに切り替える（ステップＳ１１２）。これにより、モータ４１は、燃料電池スタック１０からの電力により駆動されるようになる。

＜掃気時の制御＞
次に、燃料電池スタック１０内のガス流路１２，１３の掃気時の、各手段の制御について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、車両の衝突が回避不可能である場合（図２のステップＳ１０９のＹｅｓ方向）の各手段の制御、図４は、車両の衝突が回避可能である場合（図２のステップＳ１０９のＮｏ方向）の各手段の制御である。
なお、図３及び図４においては、説明を分かり易くするために、各手段の制御間隔を誇張して示しているが、現実には、図示よりも短い間隔で行われる。

・衝突回避不可能時の制御
はじめに、衝突回避不可能時の各手段の制御について、主に図３を参照しながら説明する。

車両の通常駆動時には、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣにより、モータ４１が駆動している（図３（ａ））。また、遮断弁２１は開弁して水素が燃料電池スタック１０に供給されている（図３（ｂ））。さらに、掃気ガス導入弁３３及び掃気ガス排出弁２５は閉弁している（図３（ｃ）及び図３（ｄ））。また、ポンプ３０は定常速度で、及び、背圧弁３２は定常開度で、空気が燃料電池スタック１０に供給されている（図３（ｅ）及び図３（ｆ））。そして、ＦＣコンタクタ４４及びバッテリコンタクタ４６は、いずれも接続モードになっている（図３（ｇ）及び図３（ｈ））。

通常駆動時、ＥＣＵ４０が、衝突可能性が高いことを予測すると、ＥＣＵ４０により燃料電池スタック１０の掃気が行われる。具体的には、はじめに、ＥＣＵ４０は、ＦＣコンタクタ４４を遮断モードに切り替える。これにより、モータ４１は、バッテリ４２からの電力により駆動される。その後、ＥＣＵ４０は、遮断弁２１を閉じる（図３（ｂ））。これにより、燃料電池スタック１０への水素の供給が停止され、燃料電池スタック１０の発電が停止する。

次いで、遮断弁２１の閉弁（水素の供給停止）から遅れて、ＥＣＵ４０は、掃気ガス導入弁３３を全開にし、さらに、ポンプ３０の回転速度を速める（図３（ｃ）及び図３（ｅ））。これにより、ガス流路１２，１３に供給される空気（即ち掃気ガス）の流量が多くなり、ガス流路１２，１３が速やかに掃気される。また、ＥＣＵ４０は、ポンプ３０の回転速度を速めるとともに、背圧弁３２の開度を小さくする（図３（ｆ））。これにより、カソード流路１３の圧力が相対的に高くなり、アノード流路１２に空気が通流し易くなる。さらに、少し遅れて、ＥＣＵ４０は、掃気ガス排出弁２５の開度を全開にする。これにより、アノード系内のガス圧が急激に低下し、アノード系内のガスが一気に外部に排出される。

ガス流路１２，１３が掃気されている間、アノードガス流路１２からは水素が強制的に排出されるため、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣは速やかに低下する（図３（ａ）の時刻ｔ１から時刻ｔ２まで）。ＥＣＵ４０による掃気は、燃料電池スタックの起電力がＶ_１になるまで行われる。この起電力Ｖ_１は予め定められた値（所定値）であり、通常はＶ_０に対して十分に小さな値である。

ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣを監視している。そこで、ＥＣＵ４０は、起電力Ｆ_ＶＣがＶ_１になる直前に、掃気ガス排出弁２５を全閉にする（図３（ｄ））。その後に、ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０の掃気を終了する。掃気終了時、ＥＣＵ４０は、掃気ガス導入弁３３を全閉にし（図３（ｃ））、ポンプ３０の回転数を０にする（図３（ｅ））。また、これらに遅れて、ＥＣＵ４０は、背圧弁３４の開度を、掃気前と同じ開度に戻す（図３（ｆ））。そして、掃気が終了すると、アノードガス流路１２からの水素の排出が停止する。なお、アノードガス流路１２には、新たに水素が供給されないため、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣは緩やかに低下することになる（図３（ａ）の時刻ｔ２から時刻ｔ３まで）。

前記のように、ＥＣＵ４０が車両の衝突可能性が高いことを予測した場合、その後に、衝突が回避不可能であるかどうかが判断される（図２のステップＳ１０９参照）。そして、衝突が回避不可能であると判断された場合、図３（ｈ）に示すように、バッテリコンタクタ４６が遮断モードに変更される。これにより、燃料電池システム１００からバッテリ４２が電気的に切り離され、車両が衝突したときに、バッテリ４２の破損による他の手段への影響が抑えられる。

・衝突回避可能時の制御
次に、衝突回避時の各手段の制御について、主に図４を参照しながら説明する。なお、衝突回避可能時の制御は、図３において示した時刻ｔ３直前までは、図３において示した制御と同様である。そこで、以下の説明においては、図３の時刻ｔ３に代えて、時刻ｔ４で回避可能と判断された場合を例示する。

時刻ｔ４で衝突が回避可能と判断された場合、モータ４１は、バッテリ４２による駆動から、再び、燃料電池スタック１０による駆動に戻される。具体的には、時刻ｔ４において、衝突が回避可能と判断されると、遮断弁２１が掃気前と同様に全開とされ（図４（ｂ））、ポンプ３０の回転速度も掃気前の回転速度まで戻される（図４（ｅ）。これにより、掃気前の量と同量の水素と空気とが燃料電池スタック１０に供給される。これにより、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣは上昇する（図４（ａ））。

ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣが、掃気前と同程度（Ｖ_０）まで回復したことを検出すると、ＦＣコンタクタ４４を接続モードに切り替える（図４（ｇ））。これにより、モータ４１は、燃料電池スタック１０からの電力により駆動されることになる。その後は、衝突可能性が高いことを予測する以前と同様に、燃料電池スタック１０からの電力駆動となる。

［３．効果］
以上説明した燃料電池システム１００によれば、車両の衝突可能性が高いときに、燃料電池内のガス流路を掃気し、燃料電池の起電力を速やかに低下させることができる。

また、掃気開始後に、ポンプ３０の回転速度が速められている。そのため、燃料電池スタック１０のガス流路１２，１３に速やかに大量の空気が供給され、より素早く掃気を行うことができる。

さらに、掃気時、掃気ガス排出弁２５は、ポンプ３０の回転速度増加及び掃気ガス導入弁３３の開弁よりも遅れて、開弁される。そのため、ポンプ３０の回転速度増加及び掃気ガス導入弁３３の開弁後、掃気ガス排出弁２５の開弁までは、アノード系の圧力が一時的に増大することになる。そして、このようにして圧力が増大した状態で掃気ガス排出弁２５を開弁することで系内の圧力が一気に低下し、掃気ガス排出弁２５から系内の水素を外部に一気に排出することができる。

また、掃気時には、カソード系に設けられている背圧弁３２の開度を小さくしている。これにより、カソードガス流路１３内の圧力を相対的に高くし、アノードガス流路１２内の圧力を相対的に低くすることができる。そのため、ポンプ３０からの空気は、圧力の高いカソードガス流路１３よりもアノードガス流路１２に、より多く供給することができる。これにより、アノードガス流路１２をより素早く掃気し、燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣをより素早く低下させることができる。

さらに、掃気中等の燃料電池スタック１０の発電停止中には、バッテリ４２によりモータ４１が駆動される。そのため、衝突可能性が高いと判断された場合でも車両は駆動力を失わないため、運転者が前方の車両等への衝突を回避することができる。

また、車両の衝突が回避不可能と判断された場合には、バッテリ４２が燃料電池システム１００から電気的に切り離される。これにより、例えば、バッテリ４２が衝突の衝撃で破損した場合に、他の手段への影響を最小限に抑えることができる。

さらに、車両の衝突が回避可能と判断された場合、燃料電池スタック１０の起電力が掃気前と同程度の起電力Ｖ_ＦＣになってから、ＦＣコンタクタ４４が接続モードに切り替えられている。そのため、図３及び図４に示す制御の前後で略同じ起電力Ｖ_ＦＣで、モータ４２を駆動させることができる。そのため、運転者は、図示の制御が行われて電圧の変化が生じていることに伴う違和感を覚えることなく、運転を行うことができる。

［４．変形例］
本実施形態は前記の内容に何ら制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。

例えば、前記の実施形態においては、衝突予測手段として、車間及び相対速度を測定するミリ波レーダを用いている。しかしながら、衝突予測手段としてはミリ波レーダに何ら限られず、他のどのようなものであってもよい。例えば、自車に備えられたカメラ等が撮影する画像や映像等について画像解析を行い、他車までの距離や相対速度を測定するようにしてもよい。また、衝突可能性を予測する指標としては、車間に限られず、他の指標を用いてもよい。他の指標としては、例えば、車両の加速度、車両への荷重等が挙げられる。さらに、車間のみを用いてもよく、相対速度のみを用いてもよい。

指標として加速度を用い、衝突予測手段として加速度センサを用いる場合、加速度センサにより測定される加速度が所定値以上になった場合に急制動が行われたと判断して、掃気が行われるようにしてもよい。また、指標として荷重を用い、衝突予測手段として荷重センサを用いる場合、荷重センサにより測定される荷重が所定値以上になった場合に急制動が行われたと判断して、掃気が行われるようにしてもよい。また、エアバック用センサ（加速度センサ等）等の別のセンサと連動して、衝突可能性の高低を判断してもよい。さらに、より簡便に、図示しない速度計により表示される自車速度に応じて判断してもよく、また、単に車間のみに基づいて判断してもよい。また、複数のセンサを併用し、より精度よく衝突可能性を判断してもよい。

また、例えば、前記した実施形態においては、衝突の程度に関らず、衝突の可能性が高ければ掃気が行われている。これに対して、例えば、衝突による燃料電池スタック１０への衝撃の大きさによって、掃気を行うか否かを判断してもよい。具体的には、例えば、燃料電池スタック１０を構成する電解質膜等が破損する程度の衝撃を生じる衝突（重衝突（重大な衝突））であれば、掃気を行うようにしてもよい。例えば電解質膜が破損する程度の衝撃をうけると判断した場合にのみ掃気を行うことで、衝突が回避可能と判断されて引き続き車両が駆動されるときに、燃料電池スタック１０を構成する材料への掃気による負荷を軽減することができる。

このような場合の具体的なフローを図５に示す。図５においては、図４に示すフロー中、ステップＳ１０４とステップＳ１０５との間に、衝突が重衝突であるか否かを判断するステップ（ステップＳ１１３）が設けられている。衝突が重衝突ではない場合には、掃気が行われない（ステップＳ１１３のＮｏ方向）。ここで、「重衝突」の具体的な程度としては、例えば、エアバッグが展開する程度の衝撃が生じる衝突である。重衝突を予測する手段も、前記の衝突予測手段と同様の手段を用いることができるが、中でもミリ波レーダを用いることが好ましい。これにより、精度よく、より確実に、重衝突の可能性の高低を判断することができる。

さらに、図２においては、衝突が回避可能と判断された後（ステップＳ１０９のＮｏ方向、そのまま燃料電池スタック１０の発電が再開されている（ステップＳ１１１）。しかしながら、例えば、ステップＳ１０９で算出される衝突余裕時間が、Ｔ_１よりは長いものの、衝突可能性が高いと判断されるＴ_０よりは依然として短いことも考えられる。即ち、ステップＳ１０９において衝突が回避不可能な衝突余裕最小時間Ｔ_１以下にはなっていないが、依然として衝突可能性が高い状態になっていることが考えられる。

そこで、このような場合を想定し、例えば、ステップＳ１０９で衝突が回避可能と判断されたものの、依然として衝突可能性が高い場合には、ステップＳ１０９の後、ＥＣＵ４０が所定時間待機し、衝突余裕時間を改めて算出して、衝突可能性を判断してもよい。そして、所定時間経過後に判断された内容により、バッテリコンタクタ４６を遮断モードに切り替えるか（ステップＳ１１０）、燃料電池スタック１０の発電を再開させるか（ステップＳ１１１）を判断してもよい。これにより、バッテリ４２の接続と遮断とをより精度よく切り替えることができる。また、このような判断は、１回のみに限られず、複数回判断してもよい。

また、例えば、掃気開始後の起電力Ｖ_ＦＣをよりいっそう素早く低下させるために、図示しない負荷手段を設け、掃気時にこの負荷手段に燃料電池スタック１０を接続するようにしてもよい。これにより、掃気に燃料電池スタック１０の起電力Ｖ_ＦＣを用いて外部負荷を駆動させて放電し、よりいっそう素早く起電力Ｖ_ＦＣを低下させることができる

さらに、例えば、前記の実施形態では、掃気は、ポンプ３０を用い、掃気ガスとして空気を用いて行っているが、掃気手段は別に設けられていてもよい。即ち、掃気手段と酸化剤ガス供給手段（ポンプ３０）とは、必ずしも同じものである必要は無く、それぞれ独立して設けられていてもよい。そして、設けられる掃気手段に対応して、掃気ガス導入弁等を適宜設ければよい。

また、前記の実施形態においては、アノードガス流路１２とカソードガス流路１３との２つのガス流路を掃気したが、アノードガス流路１２のみを掃気するようにしてもよい。

さらに、燃料電池スタック１０に供給される反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスに限られるものではない。さらに、燃料ガスは水素に限定されず、酸化剤ガスと反応して発電するものであれば、どのようなものであってもよい。そして、同様に酸化剤ガスも空気に限定されず、燃料ガスと反応して発電するものであれば、どのようなものであってもよい。

１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１２ アノードガス流路（ガス流路）
１３ カソードガス流路（ガス流路）
２０ 水素タンク（燃料ガス供給手段、反応ガス供給手段）
２１ 遮断弁
２５ 掃気ガス排出弁
３０ ポンプ（酸化剤ガス供給手段、反応ガス供給手段、掃気手段）
３２ 背圧弁（弁）
４０ ＥＣＵ（制御手段、衝突予測手段）
４１ モータ
４２ バッテリ（蓄電手段）
５０ ミリ波レーダ（衝突予測手段）

Claims (5)

1. 車両に搭載され、
   ガス流路を備え、前記ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
   前記車両の衝突可能性を予測する衝突予測手段と、
   前記燃料電池内のガス流路を掃気する掃気手段と、
   前記衝突予測手段により衝突可能性が高いと予測された場合に、前記燃料電池内のガス流路を前記掃気手段によって掃気して、前記燃料電池の起電力を低下させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記車両の衝突可能性が高いと判断した場合に、前記蓄電手段に蓄電された電力により前記車両を駆動させた後、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止し、
   前記車両の衝突回避が不可能であると判断した場合に、前記蓄電手段を電気的に遮断す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. 前記制御手段は、前記衝突予測手段により予測された衝突が所定の基準よりも重大な衝突である場合に、前記燃料電池内のガス流路を前記掃気手段によって掃気することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気手段は、前記燃料電池内のガス流路に供給する掃気ガスの流量を制御可能になっており、
   前記制御手段は、前記車両の衝突可能性が高いと判断した場合に、前記燃料電池内のガス流路に供給する掃気ガスの流量が多くなるように、前記掃気手段を制御することを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システム
5. 反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスであり、
   前記ガス流路は、燃料ガスが通流する燃料ガス流路と、酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス流路とであり、
   前記酸化剤ガス流路を通流するガスの通流方向下流に、前記酸化剤ガス流路から排出されたガス流量を制御可能な弁が備えられ、
   前記制御手段は、前記車両の衝突可能性が高いと判断した場合に、前記弁の開度を小さくすることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システム。

Images