JP2018085308A - 電動車両の燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の少なくとも一実施形態は、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制することができる電動車両の燃料電池装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池３と、燃料電池で発生される電力を充電する二次電池５と、主に二次電池からの電力で駆動する走行用モータ７とを備える電動車両の燃料電池装置であって、燃料電池の空気極１１に酸素を供給する酸素供給手段２７と、燃料電池の燃料極１３に水素を供給する水素供給手段３９と、燃料電池の起動時に、酸素供給手段及び前記水素供給手段を制御して、燃料電池の起動を制御する起動制御手段２５と、を備え、起動制御手段は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に空気コンプレッサ２３を停止した状態で外部から空気極に事前空気を取り入れることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本開示は、電動車両の燃料電池装置に関する。

一般的な燃料電池車両に搭載される燃料電池は、主に駆動用として機能するため、ドライバーからの要求出力（負荷出力）を燃料電池出力によって応じるため、速い起動制御が要求される。そのため、大流量のガス（水素、空気）を燃料電池内部に供給する必要があり、特に、空気用コンプレッサの起動時の負荷が大きいことが想定される。

また、駆動用として燃料電池は機能しているため、車両が発進や加速するたびに燃料電池は起動するため、空気用コンプレッサ起動頻度が多くなり、空気用コンプレッサの延べ起動回数を合計した積算負荷も大きくなる。
その結果、燃料電池の電極触媒の劣化の増大や空気用コンプレッサの起動時の負荷が増大する問題がある。

一方、燃料電池の劣化抑制の観点から、特許文献１が知られており、かかる文献には、燃料電池システムのアイドルストップ状態時（燃料電池が運転を休止している状態時）において、最大セル電圧が予め設定された所定電圧以下となるように空気コンプレッサを稼働させて、燃料電池スタックに空気を間欠的に供給制御することが示されている。

また、特許文献２には、不純物に起因する発電性能低下を抑え、耐久性に優れた燃料電池システムを提供することを目的に、燃料電池発電中に触媒層中の水量を制御して、低負荷時に水量を増大させて、その水により、燃料電池内に蓄積した不純物を除去することが示されている。

特開２００７−１０９５６９号公報 特開２００８−２１８０５０号公報

しかしながら、特許文献１は、燃料電池システムのアイドルストップ状態時（燃料電池が運転を休止している状態時）における空気コンプレッサの制御であり、燃料電池の起動時における空気コンプレッサの制御については示されていない。
また、特許文献２においては、燃料電池の触媒中の水量を制御することは示されているが、燃料電池内の不純物を除去するためであり、水量の制御によって燃料電池内のガスの拡散性を抑制して燃料電池の起動時の発電電力を抑制することは開示されていない。

そこで、上記技術的課題に鑑み、本発明の少なくとも一実施形態は、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制することができる電動車両の燃料電池装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池と、を備える電動車両の燃料電池装置であって、
前記燃料電池の空気極に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料電池の燃料極に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記酸素供給手段及び前記水素供給手段を制御して、燃料電池の起動を制御する起動制御手段と、を備え、
前記酸素供給手段は、前記燃料電池の空気極へ空気を圧送する空気コンプレッサを有し、前記起動制御手段は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に前記空気コンプレッサを停止した状態で外部から前記空気極に事前空気を取り入れる事前空気制御部を有することを特徴とする。

上記構成（１）によれば、燃料電池を二次電池の充電用として機能させることで、燃料電池の起動回数を低減し、且つ、起動時に求められる速いレスポンス性能の要求を回避することで、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制することができる。

また、起動制御手段は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に前記空気コンプレッサを停止した状態で外部から前記空気極に発電空気量より少量の事前空気を取り入れる事前空気制御部を有するので、事前空気の導入によって、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制できるようになる。

（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、前記酸素供給手段は、前記空気極に供給される空気を加湿する加湿器を更に有し、前記起動制御手段は、前記事前空気の加湿状態を制御する加湿制御部を有することを特徴とする。

上記構成（２）によれば、事前空気の加湿状態を制御する加湿制御部を有することによって、事前空気が導入される空気極側の湿度を調整できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記構成（２）において、前記加湿制御部は、前記事前空気によって前記空気極が過加湿状態となるように湿度状態を制御することを特徴とする。

上記構成（３）によれば、事前空気が導入される空気極側の湿度を過加湿状態に調整できる。その結果、発電空気を供給して燃料電池を起動する際に、空気極側の空隙を含む空気極触媒層内に液水を発生させることができ、その液水によって供給ガス（空気）の拡散性が低下して、起動時に生じる一時的な燃料電池のピーク電圧を抑制することができる。図５に示すように、過加湿状態下では触媒内の空隙に液水が充満し、供給ガスの空気中の酸素は、液水によって拡散性が抑制される。

（４）幾つかの実施形態では、上記構成（２）又は（３）において、前記加湿制御部によって制御された前記事前空気は、前記空気極及び前記燃料極の両方の極に供給されことを特徴とする。

上記構成（４）によれば、加湿制御部によって制御された事前空気は、空気極及び燃料極の両方の極に供給されるので、事前空気が導入される燃料極側の湿度を過加湿状態に調整できる。その結果、空気極における説明と同様に、発電水素を供給して燃料電池を起動する際に、燃料極側の空隙を含む燃料極触媒層内に液水を発生させることができ、その液水によって供給ガス（水素）の拡散性が低下して、起動時に生じる一時的な燃料電池のピーク電圧を抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記構成（１）から（４）のいずれかにおいて、前記起動制御手段は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に発電水素量より少量の事前水素を供給する事前水素制御部を有することを特徴とする。

上記構成（５）によれば、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に発電水素量より少量の事前水素を供給することによって、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制できるようになる。

（６）幾つかの実施形態では、上記構成（５）において、前記事前水素制御部は、起動開始前の発電スタンバイ時において前記事前空気制御部による事前空気の導入後に前記事前水素を供給することを特徴とする。

上記構成（６）によれば、事前水素は事前空気の導入後に行うことで、事前空気と事前水素の一時的な共存状態から発生する発電作用が生じないようにすることができ、これによって出力電圧の急激な立ち上がりを確実に抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記構成（１）から（６）のいずれかにおいて、前記事前空気制御部は、前記空気コンプレッサをバイパスするバイパス通路への空気量を制御することを特徴とする。

上記構成（７）によれば、事前空気制御部は、空気コンプレッサを停止した状態で空気コンプレッサをバイパスするバイパス通路への空気量を制御することで、事前空気を大気圧または車両の走行風圧力によって確実に導入することができ、発電スタンバイ時の事前空気を確保できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記構成（１）から（７）のいずれかにおいて、前記起動制御手段による起動は、前記二次電池のＳＯＣが所定閾値以下になった時に実行されることを特徴とする。

上記構成（８）によれば、二次電池のＳＯＣが所定の閾値以下に低下した時に燃料電池が起動制御手段によって起動して二次電池に充電することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記構成（８）において、前記二次電池のＳＯＣが、前記所定閾値以下に低下しなくても、前記起動制御手段による起動を実行させる起動スイッチを備えることを特徴とする。

上記構成（９）によれば、起動スイッチの操作によって、二次電池のＳＯＣが、所定閾値以下に低下しなくても、起動制御手段による起動を実行させることができるので、ドライバーの意思によって、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制した起動が可能になる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の全体概要図である。 起動制御手段の構成説明図である。 起動制御手段の制御フローチャートである。 起動制御手段の制御の流れを示すタイムチャートである。 燃料電池内部の触媒層の過加湿状態におけるガス拡散性を示す説明図である。（Ａ）が通常加湿状態におけるガス拡散性を示し、（Ｂ）が過加湿状態におけるガス拡散性を示す。 一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の酸素供給手段を示す構成説明図である。 一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の起動制御手段の制御フローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の一実施形態に係る電動車両１の燃料電池装置２について、全体構成を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、電動車両１は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池３と、燃料電池３で発生される電力を充電する二次電池５と、主に二次電池５からの電力の供給を受けて駆動する走行用モータ７とを備えている。図１においては、前輪９側を走行用モータ７で駆動する例を示しているが、走行用モータを後輪側に設けても、前後輪両側に設けてもよい。

燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）３は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極（カソード）と燃料極（アノード）とを対設した構造を有する発電セルを、セパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。
また、複数の発電セルの各空気極側の触媒層に酸素である空気が供給されるようになっており、各燃料極側の触媒層に燃料ガスの水素ガスが供給されるようになっている。

そして、この燃料電池においては、燃料極（アノード）に水素ガスを供給すると共に、空気極（カソード）に酸素を含む空気を供給すると、下記に示すような反応が生じるので、電極間に発生する起電力として電気エネルギーを取り出すことが可能となる。
燃料極（アノード）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
空気極（カソード）：１／２Ｏ_２＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ

図１においては、複数の発電セルの各空気極をまとめて便宜的に空気極１１と示し、また、複数の発電セルの各燃料極をまとめて便宜的に燃料極１３と示す。そして、燃料電池３には、空気極１１に空気を供給する空気供給管１５が接続され、燃料極１３に水素ガスを供給する燃料ガス供給管１７が接続されている。

空気供給管１５には、上流端側にフィルタ１９が設けられ、外部（大気）から取り入れられた大気圧または車両の走行風圧の空気から塵や埃が除去される。
フィルタ１９の下流側には、空気供給弁２１が設けられ、空気供給弁２１の開閉作動によって空気の取り入れが制御される。空気供給弁２１の下流側には、空気コンプレッサ２３が設けられ、取り入れられた空気をさらに加圧する。
空気コンプレッサ２３は、後述する起動制御手段２５によって、空気コンプレッサの作動状態（回転速度状態）が制御され、燃料電池３の空気極１１へ供給される空気流量が所望の値となるように制御される。

空気コンプレッサ２３の下流側には、加湿器２６が設けられ、空気コンプレッサ２３で加圧された空気、または空気コンプレッサ２３が停止中であっても、大気圧または車両の走行風圧等によって空気コンプレッサ２３内の隙間を通過した空気に対しても加湿を行い、燃料電池３の空気極１１側へ導入される空気に対する湿度が制御される。

以上の空気供給管１５、フィルタ１９、空気供給弁２１、空気コンプレッサ２３、加湿器２６を含んで燃料電池３の空気極１１に酸素を供給する酸素供給手段２７を構成している。

また、加湿器２６の下流側には、空気供給管１５と燃料ガス供給管１７とを連通する連通管２９に連通弁３１が設けられている。この連通弁３１が開状態のときに、加湿器２６で加湿された空気の一部が燃料極１３側に供給されるようになっている。

燃料ガス供給管１７の上流端には、燃料ガスである水素を貯蔵する高圧水素タンク３３が設けられる。高圧水素タンク３３の下流側には、水素供給弁３５が設けられ水素供給弁３５の開閉作動によって水素の取り入れが制御される。水素供給弁３５の下流側には、水素調流弁３７が設けられ、高圧水素タンク３３からの高圧水素ガスが減圧されて流量が制御されて、燃料電池３の燃料極１３に供給される。

水素調流弁３７は、後述する起動制御手段２５によって、その開状態（開度量）が制御されて、燃料電池３の燃料極１３へ供給される水素流量が所望の値となるように制御される。なお、水素調流弁３７の下流側の燃料ガス供給管１７に前述の連通管２９が連結されている。
以上の高圧水素タンク３３、燃料ガス供給管１７、水素供給弁３５、水素調流弁３７を含んで燃料電池３の燃料極１３に水素を供給する水素供給手段３９を構成している。

また、燃料電池３の空気極１１および燃料極１３にそれぞれ供給された空気、水素ガスは、それぞれ一部が消費され、未使用の空気、水素ガスは、空気排出管４０、水素排出管４２を介して外部（大気）に排出されるようになっている。

以上の酸素供給手段２７、水素供給手段３９、及び燃料電池３を備え、さらに後述する制御装置４１を備えて、燃料電池装置２が構成されている。

次に、制御装置４１について説明する。制御装置４１は、燃料電池３の発電の起動および停止の制御、さらに燃料電池３からの発電電力の二次電池５および走行用モータ７への供給を総合的に制御する機能を有している。そして、制御装置４１は、図１に示すように、主に起動制御手段２５と、電力制御手段４３とを有して構成される。

また、制御装置４１には、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部、タイマー等が設けられている。信号入力部には、二次電池５の充電状態を検出する充電状態検出手段４５から充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の信号が入力される。

起動制御手段２５は、燃料電池３の起動時の制御、すなわち発電スタンバイの制御も含めて、酸素供給手段２７及び水素供給手段３９を制御して、燃料電池３の発電の起動を制御する。
電力制御手段４３は、燃料電池３で発生した電力を二次電池５に充電用として供給する電力経路４７と、この電力経路４７に加えて走行用モータ７にも電力を供給する電力経路４９との電力供給経路を制御する。
燃料電池３で発生した電力は主に二次電池５に供給して充電に供されるが、二次電池５の充電状態では走行用モータ７の要求出力に対応できない状態になった場合には、燃料電池３からの発電電力の一部が走行用モータ７に供給されて走行出力が維持されるように制御される。

例えば、電力制御手段４３は、切替器５１を制御して、走行用モータ７の要求出力に二次電池５の充電状態では対応できない場合には、電力経路４７に加えて電力経路４９が接続されて、走行用モータと７と二次電池５との両方に燃料電池３からの出力が供給され、燃料電池３の出力のうち走行用モータ７に供給された分の余剰分が二次電池５の充電電力として用いられる。また、走行用モータ７の要求出力に二次電池５の充電状態で対応できる場合には、電力経路４７によって燃料電池３からの出力が二次電池５の充電電力として用いられる。

起動制御手段２５は、図２に示すように、事前空気制御部５３と、事前水素制御部５５と、加湿制御部５７とを有して構成されている。
事前空気制御部５３は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間において空気コンプレッサを停止した状態で外部から空気極１１に発電空気量より少量の事前空気を取り入れる制御を行う。空気極１１だけでなく燃料極１３にも供給する。空気極１１および燃料極１３の両方に事前空気を供給するのは、後述する加湿制御部５７によって事前空気の加湿状態が制御されて、事前空気が導入される空気極１１側の湿度および燃料極１３側の湿度を過加湿状態に調整される。その結果、空気極１１および燃料極１３における触媒層内の空隙に液水を発生させることができ、燃料電池を起動する際に、その液水によって空気中の酸素ガスおよび水素ガスの触媒層内における拡散性が低下して、起動時に生じる一時的な燃料電池のピーク電圧を確実に抑制することができるからである。
なお、過加湿状態とは、以上説明のように、空気極１１および燃料極１３における触媒層が事前空気の露点以下の状態になり、結露が発生する状態をいう。

事前水素制御部５５は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に発電水素を供給する前に発電水素量より少量の事前水素を燃料極１３に供給する制御を行う。
また、加湿制御部５７は、空気極１１に供給される空気を加湿する加湿器２６の作動状態を制御して、すなわち、加湿器２６の温度を制御して供給空気の加湿状態を制御する。

次に、以上の構成を有する起動制御手段２５の制御について、図３の制御フローチャート、および図４のタイムチャートを参照して説明する。図３の制御フローチャート内に示すｔ_１〜ｔ_５は、タイムチャートにおける経過時間を示す。

図３の制御フローチャートにおいて、まずステップＳ１で、二次電池５のＳＯＣを充電状態検出手段４５によって検出する。ステップＳ２で、その検出値が所定の閾値Ｃ_１以下か否かを判定する。閾値Ｃ_１以下の場合には、次のステップＳ３に進んで空気コンプレッサ２３の作動は停止を継続して、空気コンプレッサ２３によらずに大気圧または走行風圧によって空気極１１および燃料極１３に事前空気を供給する（図４のタイムチャートのｔ_１）。

ステップＳ４で加湿器２６を作動して加湿器の温度をＴ_３に調整する（図４のタイムチャートのｔ_１）。そして、ステップＳ５で、湿度調整された事前空気によって空気極１１および燃料極１３の触媒層の湿度を過加湿状態に調整する。すなわち、空気極１１および燃料極１３の触媒層の湿度が過加湿状態になるように、加湿器２６の温度がＴ_３に制御される。

事前空気は、大気が大気圧または走行風圧によってフィルタ１９を通過し、さらに空気供給弁２１を通過し、空気コンプレッサ２３は停止しているため、空気コンプレッサ２３内部の隙間から流れ出し、加湿器２６を通過して燃料電池３の空気極１１に供給される。この事前空気の供給中は、水素供給弁３５が閉止状態にあり、高圧水素タンク３３からの高圧水素ガスは、供給されないようになっている。さらに、この事前空気の供給中は、連通管２９の連通弁３１が開状態にあるため、事前空気は燃料極１３側にも供給されるようになっている。

図３の制御フローチャートに戻って、ステップＳ５で空気極１１および燃料極１３の触媒層の湿度を過加湿状態に調整した後に、ステップＳ６では、加湿器２６をＯＮにしてからΔｔ_１以上経過したか否かが判定される。Δｔ_１以上経過した場合には、ステップＳ７に進んで、ステップＳ３の空気極１１および燃料極１３の事前空気の供給を停止する（図４のタイムチャートのｔ_２）。次にステップＳ８で燃料極１３への事前水素の供給を開始する（図４のタイムチャートのｔ_２）。

事前水素は、高圧水素タンク３３からの高圧水素ガスが開状態の水素供給弁３５を通過し、水素調流弁３７によって減圧されて流量が制御されて、燃料電池３の燃料極１３に供給される。この事前水素の供給中は、連通管２９の連通弁３１が閉状態にあるため、空気極１１側には水素ガスは流れないようになっている。

図３の制御フローチャートに戻って、ステップＳ８で燃料極１３に事前水素の供給を開始した後において、二次電池５のＳＯＣが所定の閾値Ｃ_１より少ない所定の閾値Ｃ_２以下か否かを判定する。閾値Ｃ_２以下の場合には、ステップＳ１０に進んで、燃料極１３への事前水素の供給を停止して、水素供給量を発電水素量に増量する（図４（Ｃ）のタイムチャートのｔ_３における事前水素量Ｆ_１→発電水素量Ｆ_２への増量）。
この発電水素量Ｆ_２は、水素調流弁３７の開度を起動制御手段２５によって制御される。

次に、ステップＳ１１において、空気極１１への発電空気量を供給する。この発電空気量は、空気コンプレッサ２３の作動状態、例えば、空気コンプレッサ２３を構成するコンプレッサ翼の回転速度を制御することで調整される（図４のタイムチャートのｔ_３において発電空気量Ｆ_５へ向けて調整される）。

次に、ステップＳ１２において、加湿器２６の温度を制御して加湿器温度Ｔ_４に調整する（図４のタイムチャートのｔ_３における加湿器温度Ｔ_４への調整）。この加湿器温度Ｔ_４は、過加湿状態にするための温度Ｔ_３より低温度であり、起動時おける燃料電池３内の触媒層を過加湿状態まではとはしない湿度状態に制御するものである。

次に、ステップＳ１３において、燃料電池３からの発電出力がＰ_１に制御される（図４のタイムチャートのｔ_４）。
次に、ステップＳ１４において、二次電池５のＳＯＣが所定の閾値Ｃ_１より多い所定の閾値Ｃ_３以上か否かを判定する。閾値Ｃ_３以上の場合には、二次電池５の充電状態が回復したと判定してステップＳ１５に進んで、燃料電池３の発電を停止する（図４のタイムチャートのｔ_５）。

図４に示すタイムチャートは、横軸に時間経過を示し、縦軸は次の図４（Ａ）〜（Ｊ）である。
図４（Ａ）は、燃料電池３からの発電電圧の変化状態を示すものであり、実線が本実施形態における起動時の出力電圧の変化状態を示し、点線が本実施形態の起動時制御を行わない従来技術における起動時の出力電圧の変化状態を示すものである。すなすわ、本実施形態においては、急激な出力の立ち上がりが抑制されてＶ_２からＶ_１に抑制されることを概念的に示す。

図４（Ｂ）は、燃料電池（ＦＣ）３の温度変化を示すものであり、発電が開始されるｔ_３以降には燃料電池３の温度がＴ_１からＴ_２に上昇変化することを示す。
図４（Ｃ）は、燃料極（アノード）１３への燃料ガスである水素ガスの供給量の変化を示すものであり、ｔ_２以降においてΔｔ_２の間に事前水素量Ｆ_１が供給され、発電開始時のｔ_３において発電水素量Ｆ_２に増量されることを示す。
図４（Ｄ）は、燃料極（アノード）１３への事前空気の供給量の変化を示すものであり、ｔ_１において、二次電池５のＳＯＣがＣ_１に達すると燃料電池の発電スタンバイが開始されて、ｔ_１からｔ_２までのΔｔ_１の間だけ、事前空気量Ｆ_３が供給される。
図４（Ｅ）は、空気極（カソード）１１への空気の供給量の変化を示すものであり、ｔ_１において、二次電池５のＳＯＣがＣ_１に達すると燃料電池の発電スタンバイが開始されて、ｔ_１からｔ_２までのΔｔ_１の間、事前空気量Ｆ_４が供給され、その後ｔ_２からｔ_３までのΔｔ_２の間は供給が停止され、ｔ_３において発電空気量Ｆ_５へ向けて供給される。

図４（Ｆ）は、加湿器温度の変化状態を示す。ｔ_１までは、大気状態の温度であり、ｔ_１において、空気極１１および燃料極１３への事前空気の湿度を調整して空気極１１および燃料極１３のそれぞれの触媒層を過加湿状態にするように温度Ｔ_３まで上昇される。その後、発電開始時のｔ_３において加湿器温度Ｔ_４へ低下される。
図４（Ｇ）は、二次電池５のＳＯＣの変化状態を示す。ＳＯＣがｔ_１においてＣ_１以下に低下すると、発電スタンバイが開始される。その後、ｔ_３においてＳＯＣがＣ_２に低下すると、発電が開始され、その後、ｔ_４において走行用モータ７に燃料電池３から出力の供給が開始され、ｔ_５においてＳＯＣがＣ_１より大きいＣ_３に上昇すると燃料電池３の発電を停止する。ｔ_１〜ｔ_３は、発電スタンバイの期間となっている。
図４（Ｈ）は、燃料電池３の出力の変化状態を示す。ｔ_３において燃料電池３に発電水素量および発電空気量が供給されて発電が開始され、その発電開始時から所定時間Δｔ_３が経過したｔ_４において、燃料電池３からの発電電力が電力負荷の走行用モータ７に供給されて発電出力がＰ_１となる。そして、発電出力のＰ_１のうち走行出力分が走行用モータ７に供給され、余剰分電力Ｄが、二次電池５の充電用に供給されることが示される。
図４（Ｉ）は、二次電池５の出力の変化状態を示す。ｔ_４において二次電池５のＳＯＣはＣ_２未満に低下して、二次電池５の充電状態がゼロに近い値になっているため、二次電池５から走行用モータ７への電力の供給は困難となり、二次電池５からの出力はゼロに変化され、燃料電池３からの出力が走行用モータ７へ供給される。
なお、この二次電池５から走行用モータ７への電力の供給は困難となり、燃料電池３からの出力が走行用モータ７へ供給される制御は、既に説明したように、電力制御手段４３によって切替器５１を制御することで行われる。
図４（Ｊ）は、走行出力、すなわち、走行用モータ７の出力の変化状態が示される。ｔ_４以降においては二次電池５からではなく、燃料電池３からの出力によって走行出力が確保される状態が示されている。

以上の一実施形態によれば、燃料電池３を主に二次電池５の充電用として機能させることで、燃料電池３の起動回数を低減し、且つ、起動時に求められる速いレスポンス性能の要求を回避することで、図４（Ａ）に示すように、燃料電池３の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池３の劣化を抑制することができる。
また、空気コンプレッサ２３の起動頻度が少なくなり、空気コンプレッサ２３起動時の負荷が低減するため、空気コンプレッサ２３の劣化も抑制できる。

また、起動制御手段２５の事前空気制御部５３によって、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間において空気コンプレッサ２３を停止した状態で外部から空気極１１に発電空気量より少量の事前空気を取り入れるので、事前空気の導入によって、燃料電池３の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制できる。

また、起動開始前の発電スタンバイ時において加湿制御部５７によって、空気極１１側の湿度および燃料極１３側の湿度を、過加湿状態に調整できる。その結果、発電空気量の空気及び発電水素量の水素を供給して燃料電池を起動する前に、空気極及び燃料極の触媒層の空隙を液水で満たして、その液水によって供給ガス（水素、酸素）の拡散性を低下させることができるので、起動時に生じる一時的な燃料電池のピーク電圧を効果的に抑制することができる。

図５に示すように、過加湿条件下では触媒の担体内の空隙に液水が充満し、供給ガスの空気中の酸素は、液水によって拡散性が抑制される。図５は酸素について示すが、水素も同様に液水によって拡散性が抑制されることを概念的に示している。

また、起動制御手段２５の事前水素制御部５５によって、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間において発電水素量より少量の事前水素の導入によって、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制できるようになる。

また、事前水素は事前空気の導入後に行うことで、事前空気と事前水素の一時的な共存状態から発生する発電作用が生じないようにすることによって、出力電圧の急激な立ち上がりを確実に抑制することができる。

二次電池５のＳＯＣが所定の閾値Ｃ_１以下に低下した時に燃料電池３が起動制御手段２５によって発電スタンバイが開始され、二次電池５に充電可能にすることができるので、二次電池５を燃料電池３によって所定の充電状態に維持される。

本発明の一実施形態を、図６に示す。図６に示すように、空気コンプレッサ２３をバイパスするバイパス通路６１、空気供給管１５からバイパス通路６１へのバイパス流量を制御するバイパス制御弁６３を備え、事前空気制御部５３は、バイパス制御弁６３の開度を制御して、空気コンプレッサ２３の停止時における事前空気の空気量を制御するように構成される。

かかる図６に示す実施形態の構成によれば、事前空気制御部５３は、空気コンプレッサ２３を停止した状態で空気コンプレッサ２３をバイパスするバイパス通路６１への流量を制御することで、事前空気を大気圧または車両の走行風圧力によって確実に導入することができる。

本発明の一実施形態を、図７に示す。図７に示すように、図３の制御フローチャートのステップＳ９における二次電池５のＳＯＣが閾値Ｃ_２以下かの判定条件に代えて、図７のようにステップＳ９'のように、Ｓ８の燃料極１３への事前水素供給開始からΔｔ_２時間以上経過したか否の判定条件とするものである。

かかる図７の実施形態の構成によれば、図３の実施形態のように二次電池５のＳＯＣが閾値Ｃ_２以下かに低下したかを待たずに一定時間後に、次の発電開始（起動開始）に移るため、燃料電池３の発電スタンバイの期間が、ＳＯＣによらず時間によって一定に設定されるので発電スタンバイの開始から一定時間後に確実に起動が実行される。

本発明の一実施形態を、図１に示す。図１に示すように、制御装置４１の信号入力部には、起動制御手段２５による燃料電池３の発電（起動）制御を強制的に実行させる起動スイッチ６５からの信号が入力されるようになっている。

起動制御手段２５による起動は、二次電池５のＳＯＣが所定閾値以下、つまり、Ｃ_１以下になったときに実行が開始され発電スタンバイが開始されるが、本一実施形態によれば、起動スイッチ６５を設けて、起動スイッチ６５をオペレータがＯＮ操作することで、二次電池５のＳＯＣが、Ｃ_１以下に低下しなくても、発電スタンバイ状態に入ってその後、燃料電池３を起動するので、ドライバーの意思によって、燃料電池３の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制した起動が可能になる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料電池の起動時の出力電圧の急激な立ち上がりを抑制して、燃料電池の劣化を抑制することができるので、電動車両の燃料電池装置への利用に適している。

１ 電動車両
２ 燃料電池装置
３ 燃料電池
５ 二次電池
７ 走行用モータ
１１ 空気極
１３ 燃料極
２１ 空気供給弁
２３ 空気コンプレッサ
２５ 起動制御手段
２６ 加湿器
２７ 酸素供給手段
２９ 連通管
３１ 連通弁
３３ 水素タンク
３５ 水素供給弁
３７ 水素調流弁
３９ 水素供給手段
４１ 制御装置
４３ 電力制御手段
４５ 充電状態検出手段
５３ 事前空気制御部
５５ 事前水素制御部
５７ 加湿制御部
６１ バイパス通路
６３ バイパス制御弁
６５ 起動スイッチ

Claims (9)

1. 水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池と、を備える電動車両の燃料電池装置であって、
   前記燃料電池の空気極に酸素を供給する酸素供給手段と、
   前記燃料電池の燃料極に水素を供給する水素供給手段と、
   前記燃料電池の起動時に、前記酸素供給手段及び前記水素供給手段を制御して、燃料電池の起動を制御する起動制御手段と、を備え、
   前記酸素供給手段は、前記燃料電池の空気極へ空気を圧送する空気コンプレッサを有し、前記起動制御手段は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に前記空気コンプレッサを停止した状態で外部から前記空気極に事前空気を取り入れる事前空気制御部を有することを特徴とする電動車両の燃料電池装置。
2. 前記酸素供給手段は、前記空気極に供給される空気を加湿する加湿器を更に有し、前記起動制御手段は、前記事前空気の加湿状態を制御する加湿制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の燃料電池装置。
3. 前記加湿制御部は、前記事前空気によって前記空気極が過加湿状態となるように湿度状態を制御することを特徴とする請求項２に記載の電動車両の燃料電池装置。
4. 前記加湿制御部によって制御された前記事前空気は、前記空気極及び前記燃料極の両方の極に供給されることを特徴とする請求項２又は３に記載の電動車両の燃料電池装置。
5. 前記起動制御手段は、起動開始前の発電スタンバイ時の所定期間に発電水素量より少量の事前水素を供給する事前水素制御部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動車両の燃料電池装置。
6. 前記事前水素制御部は、起動開始前の発電スタンバイ時において前記事前空気制御部による事前空気の導入後に前記事前水素を供給することを特徴とする請求項５に記載の電動車両の燃料電池装置。
7. 前記事前空気制御部は、前記空気コンプレッサをバイパスするバイパス通路への空気量を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電動車両の燃料電池装置。
8. 前記起動制御手段による起動は、前記二次電池のＳＯＣが所定閾値以下になった時に実行されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電動車両の燃料電池装置。
9. 前記二次電池のＳＯＣが、前記所定閾値以下に低下しなくても、前記起動制御手段による起動を実行させる起動スイッチを備えることを特徴とする請求項８に記載の電動車両の燃料電池装置。

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