JP2018113126A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用燃料電池システムにおいて、車両の放置中に、燃料電池内のガス流路において水分が残留して低温時に凍結することを抑制することである。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池で発電した電力を蓄電する二次電池６１と、二次電池６１の電力で駆動され、燃料電池の内部のガス流路にパージガスを流すガス供給部を制御して、燃料電池のパージ処理を実行させるパージ処理実行部２１とを含む。パージ処理実行部２１は、燃料電池の運転停止の指示を受けた後に燃料電池の温度の測定値が所定温度以下になった場合において、二次電池の劣化状態、充電残量及び二次電池温度の測定値を用いてパージ用許容電力を算出し二次電池の取り出し可能電力をパージ用許容電力に制限してパージ処理を実行させる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を備える車両用燃料電池システム、特に駐車時パージ処理を適切に行う燃料電池システムの改良に関する。

従来から燃料電池が搭載された車両において、燃料電池の運転停止後に、燃料電池の内部に水分が残留していると、その水分が低温時に凍結して燃料電池の起動性を低下させる原因となることが知られている。このために、燃料電池の運転停止後に、燃料電池の内部のガス流路にパージガスを流すことにより、燃料電池の掃気であるパージ処理を実行させ、燃料電池に残留する水分を低減することが考えられる。

特許文献１には、運転者がイグニッションキーをオフした状態で、燃料電池の低温時に、制御部が、燃料電池の内部及びその接続配管における反応ガスの流路を掃気するパージ処理を実行する燃料電池システムが記載されている。これにより、燃料電池の内部のガスの流路において水分が氷結する前にパージ処理を行って、水分を除去させるとされている。特許文献１には、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池の運転停止後においても燃料電池システムの各構成部を駆動できることも記載されている。

特開２０１３−２１１１６３号公報

ところで、燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力が二次電池に供給され、二次電池が充電される。このシステムを搭載した燃料電池車両では、燃料電池または二次電池からの電力で走行モータが駆動される。この車両において、二次電池の取り出し可能電力は、使用開始から所定年数経過時までの間、二次電池を所定年数使用したと仮定した場合に予測される二次電池の劣化状態を考慮した、所定値に制限する。

しかしながら、この構成では、実際の二次電池の状態が良好の場合でも、一律に二次電池の取り出し可能電力が制限されるので、常にこの電力制限を用いると、二次電池の取り出し可能電力が過剰に制限される可能性がある。例えば、運転停止後に二次電池の電力によってパージ処理を実行しようとしても、二次電池の出力不足で駐車時におけるパージ処理を十分に行えない可能性がある。このため、燃料電池の内部のガス流路に水分が残留して、それが低温時に凍結する可能性がある。

本発明は、車両用燃料電池システムにおいて、車両の放置中に、燃料電池内のガス流路において水分が残留して低温時に凍結することを抑制することを目的とする。

本発明に係る車両用燃料電池システムは、燃料電池を備える車両用燃料電池システムであって、前記燃料電池で発電した電力を蓄電する二次電池と、前記燃料電池の温度を測定する第１温度測定部と、前記二次電池の温度を測定する第２温度測定部と、前記二次電池の充電残量を推定する充電残量推定部と、前記二次電池の劣化状態を推定する劣化推定部と、前記二次電池の電力で駆動され、前記燃料電池の内部のガス流路にパージガスを流すガス供給部と、前記ガス供給部を制御して、前記パージガスによる前記燃料電池の掃気である駐車時パージ処理を実行させるパージ処理実行部とを備え、前記パージ処理実行部は、前記燃料電池の運転停止の指示を受けた後に、前記第１温度測定部により測定した前記燃料電池の温度の測定値が所定温度以下になった場合において、前記二次電池の劣化状態、充電残量及び二次電池温度の測定値を用いて、前記パージ用許容電力を算出し、前記二次電池の取り出し可能電力を前記パージ用許容電力に制限して駐車時パージ処理を実行させる。

本発明に係る車両用燃料電池システムによれば、二次電池の現在の劣化状態に応じて二次電池のパージ用許容電力が算出されるので、車両の放置時における駐車時パージ処理用の二次電池の取り出し可能電力が過度に制限されることが防止される。これにより、二次電池の出力を十分に確保でき、燃料電池内のガス流路において水分が残留して低温時に凍結することを抑制できる。

また、本発明に係る車両用燃料電池システムにおいて、好ましくは、パージ用許容電力は、二次電池の使用開始時の電力を１００％として、その後の使用による変化度合いによって変化させる。

上記構成によれば、パージ用許容電力の算出の容易化を図れるので、パージ処理実行部におけるパージ用許容電力の算出速度を速くできる。

また、本発明に係る車両用燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の走行中の二次電池の取り出し可能電力は、使用開始当初から使用開始時の電力に対し所定の安全率を乗算して算出されたものを用いる。また、使用開始当初の前記パージ用許容電力は、走行中の取り出し可能電力より大きい。

また、本発明に係る車両用燃料電池システムにおいて、好ましくは、パージ用許容電力は、充電残量と温度とから求める出力制限値に、劣化による制限すべき所定割合を乗算して求める。

上記構成によれば、出力制限値に所定割合を乗算してパージ用許容電力を求めるので、充電残量、温度、劣化のそれぞれに基づくマップを用いてパージ用許容電力を算出する場合と異なり、パージ用許容電力の算出に用いる記憶部での記憶容量を小さくできる。

また、本発明に係る車両用燃料電池システムにおいて、好ましくは、劣化推定部は、走行中において随時測定した二次電池の内部抵抗値に基づいて、予め定めた二次電池の内部抵抗値と劣化状態との関係から劣化状態を推定する。

上記構成によれば、二次電池の入出力電流の変化が大きい車両の走行中に二次電池の内部抵抗値を測定するので、内部抵抗値の測定精度を高くできる。これにより、劣化状態の推定精度を高くできる。

また、本発明に係る車両用燃料電池システムにおいて、好ましくは、充電残量推定部は、走行中において測定した二次電池の開放電圧に基づいて、予め定めた開放電圧と充電残量の関係から充電残量を推定する。

上記構成によれば、車両の走行中に測定した二次電池の開放電圧に基づいて、充電残量を推定するので、充電残量の推定精度を高くできる。

本発明に係る車両用燃料電池システムによれば、車両の放置中に、燃料電池内のガス流路において水分が残留して低温時に凍結することを抑制できる。

本発明の実施形態の燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施形態において、二次電池の内部抵抗値と二次電池の劣化状態に相当する経過年数との関係を示す図である。 本発明の実施形態において、二次電池の内部抵抗を測定するための二次電池の入出力電流と二次電池の端子間電圧との関係を示す図である。 本発明の実施形態において、二次電池の劣化状態、充電残量及び二次電池温度とパージ用許容電力との関係を表すマップのデータを示す図である。 本発明の実施形態の燃料電池システムで実行する駐車時パージ処理の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における二次電池の経過年数と駐車時パージ処理用のパージ用許容電力との関係を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。図１から図６は、本発明の実施形態を示している。

図１は、実施形態の車両用燃料電池システム１０の構成図である。車両用燃料電池システム１０は、車両である燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池１２、メイン制御部２０、カソードガス供給排出部３０、アノードガス供給排出部４０、冷媒循環冷却部５０、外部回路６０、及び始動制御部７０を備える。また、車両用燃料電池システム１０は、第１温度測定部に相当する燃料電池用の第１温度センサ８０、及び第２温度測定部に相当する二次電池用の第２温度センサ８１を備える。以下では、車両用燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０と記載する。

燃料電池１２は、発電体である複数の燃料電池セルが積層されることにより形成されたセル積層体を含む。燃料電池１２では、セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとがそれぞれ積層される。集電板とエンドプレートとの間に絶縁板が設けられてもよい。

各燃料電池セルは、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜電極接合体と、その両側に配置されたセパレータとを含む。アノード側電極にはアノードガスとして水素ガスが供給され、カソード側電極にはカソードガスとして空気が供給される。そして、アノード側電極で発生した水素イオンが、電解質膜を介してカソード側電極まで移動し、カソード側電極で酸素と電気化学反応を生じることにより、水が生成される。アノード側電極からカソード側電極へ外部回路６０を通じて電子が移動することにより起電力が発生する。燃料電池１２で発電した電力は、二次電池６１に供給され、二次電池６１が充電される。

メイン制御部２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）とメモリ等の記憶部とを有するマイクロコンピュータを含んで構成される。メイン制御部２０は、燃料電池１２に対する出力要求に応じた電力を燃料電池１２に発生させる発電制御部としての機能を有する。また、メイン制御部２０は、パージ処理実行部２１と、充電残量推定部２２と、劣化推定部２３とを有する。

パージ処理実行部２１は、燃料電池１２の運転停止後に、後述の第１ガス供給部であるエアコンプレッサ３１、第２ガス供給部である水素循環ポンプ４１等の燃料電池システム１０の構成要素の駆動を制御する。これにより、燃料電池１２の内部のガス流路、及び燃料電池１２に接続された配管により構成される流路に掃気用のガスであるパージガスが流れる。これにより、パージ処理実行部２１は、パージガスによる燃料電池の掃気であるパージ処理を実行させる。充電残量推定部２２及び劣化推定部２３は後で説明する。

カソードガス供給排出部３０は、燃料電池１２のカソード側電極に空気を供給し、カソード側電極で電気化学反応に供された後のカソード側オフガスを排出するために用いられる。具体的には、カソードガス供給排出部３０は、カソードガス供給路３２と、エアクリーナ３３と、エアコンプレッサ３１と、カソードオフガス排出路３４と、開閉弁である背圧弁３５とを含む。カソードガス供給路３２は、空気を燃料電池１２のカソード側のガス流路に供給するために、燃料電池１２のカソード側入口に接続される。エアコンプレッサ３１及びエアクリーナ３３は、カソードガス供給路３２の上流側に接続される。エアコンプレッサ３１の駆動によりエアクリーナ３３には外気として空気が送られる。エアクリーナ３３でフィルタを通過することによって塵等の異物が除去された空気は、エアコンプレッサ３１に送られて、加圧され燃料電池１２に供給される。エアコンプレッサ３１は図示しないモータにより駆動され、そのモータはメイン制御部２０によって制御される。

カソードオフガス排出路３４は、燃料電池１２の各燃料電池セルで電気化学反応に供された後のカソード側オフガスを排出するために、燃料電池１２のカソード側出口に接続される。背圧弁３５は、カソードオフガス排出路３４の中間部に接続され、メイン制御部２０によって開閉が制御され、背圧弁３５が開くことにより、カソード側オフガスが外部に排出される。

一方、アノードガス供給排出部４０は、燃料電池１２のアノード側電極に水素ガスを供給し、アノード側電極で電気化学反応に供された後のアノード側オフガスを排出するために用いられる。具体的には、アノードガス供給排出部４０は、アノードガス供給路４２と、水素タンク４３と、水素循環ポンプ４１と、アノードオフガス排出路４４と、気液分離部４５と、循環路４６と、排水路４７と、パージ弁４８とを含む。アノードガス供給路４２は、水素タンク４３の出口と燃料電池１２のアノード側入口との間に接続される。アノードガス供給路４２には、遮断弁４２ａと、レギュレータ４２ｂとが接続される。遮断弁４２ａは、メイン制御部２０によって開閉が制御される。レギュレータ４２ｂは、アノードガス供給路４２の上流側における水素ガスの圧力を調整するための減圧弁であり、その開度がメイン制御部２０により制御される。遮断弁４２ａが開くことで、水素ガスがレギュレータ４２ｂに送られ、レギュレータ４２ｂで減圧されてアノードガス供給路４２を燃料電池１２に向けて流れ、燃料電池１２に供給される。

アノードオフガス排出路４４は、燃料電池１２の各燃料電池セルで電気化学反応に供された後のアノード側オフガスを排出するために、燃料電池１２のアノード側出口に接続される。循環路４６は、アノードオフガス排出路４４の下流側とアノードガス供給路４２の下流側との間に接続される。

気液分離部４５は、アノードオフガス排出路４４と循環路４６との間に接続される。気液分離部４５は、アノード側オフガスに含まれるガス成分と水分とを分離する。循環路４６の中間部には、水素循環ポンプ４１が接続され、気液分離部４５で分離され、循環路４６に送られたガス成分が、水素循環ポンプ４１によってアノードガス供給路４２に戻される。水素循環ポンプ４１はメイン制御部２０によって駆動が制御される。アノード側オフガスには、発電反応に用いられなかった未反応の水素が含まれる場合があるので、水素循環ポンプ４１はその未反応の水素をアノードガス供給路４２に戻す。未反応の水素はアノードガス供給路４２の上流側から送られた水素ガスと合流されてから、燃料電池１２に再度送られる。

気液分離部４５は、アノード側オフガスに含まれる水分を排水路４７に誘導する。パージ弁４８は、排水路４７の中間部に接続され、メイン制御部２０により開閉が制御される。パージ弁４８が開くことにより、アノードオフガス排出路４４から、不純物（窒素、水等）を含むガスを排出させることができる。メイン制御部２０は、燃料電池１２の運転中には、通常、パージ弁を閉じ、予め設定された所定の排水タイミング、またはアノード側オフガス中の不活性ガスの排出タイミングでパージ弁を開く。

冷媒循環冷却部５０は、燃料電池１２を介して冷媒を循環させることにより燃料電池１２の温度を調節する。具体的には、冷媒循環冷却部５０は、ラジエータ５１と、冷媒排出路５２と、冷媒供給路５３と、冷媒循環ポンプ５４と、冷媒温度センサである第１温度センサ８０とを含む。ラジエータ５１は、冷媒排出路５２と冷媒供給路５３との間に接続される。ラジエータ５１は、伝熱管（図示せず）を有し、冷媒排出路５２から送られ伝熱管内を流れる冷媒と、伝熱管の外側を通過する空気とを熱交換させて、冷媒を冷却する。冷却された冷媒は、冷媒供給路５３に送られる。冷媒循環ポンプ５４は、冷媒供給路５３の中間部に接続され、その駆動によって、冷媒供給路５３に冷媒を燃料電池１２の内部冷媒流路（図示せず）に向けて流す。内部冷媒流路を流れた冷媒は冷媒排出路５２に排出される。内部冷媒流路に冷媒が流れることにより燃料電池１２が冷却される。また、冷媒循環ポンプ５４により内部冷媒流路に流す冷媒の量を調節することにより燃料電池１２の温度が調節される。

第１温度センサ８０は、冷媒排出路５２において、燃料電池１２の近傍に配置される。第１温度センサ８０は冷媒の温度を測定し、その測定値を表す信号がメイン制御部２０に送信される。第１温度センサ８０の測定値は、燃料電池１２の温度とほぼ同じであるので、燃料電池の温度として取り扱われる。第１温度センサ８０は、サーミスタ等により構成される。

外部回路６０は、燃料電池１２または二次電池６１から出力される電力を走行用モータ６２に供給する。外部回路６０は、走行用モータ６２と、インバータ６３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４と、二次電池６１とを含む。走行用モータ６２は、燃料電池１２の正極側及び負極側の集電板にインバータ６３を介して接続される。インバータ６３は、燃料電池１２及び二次電池６１と並列に接続され、燃料電池１２または二次電池６１から供給される直流電流を交流電流に変換して走行用モータ６２に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、二次電池６１の出力電圧を昇圧してインバータ６３に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、燃料電池１２の余剰発電力を蓄電するために燃料電池１２の出力電圧を降圧して二次電池６１に供給することが可能である。これにより、二次電池６１には燃料電池１２で発電した電力の少なくとも一部が蓄電される。二次電池６１は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等である。また、二次電池６１の温度は、第２温度センサ８１により測定され、その測定値を表す信号はメイン制御部２０に送信される。第２温度センサ８１は、サーミスタ等により構成される。

さらに、二次電池６１とＤＣ／ＤＣコンバータ６４との間には電流センサ６５が接続される。電流センサ６５は、二次電池６１の入出力電流を測定する。また、二次電池６１とＤＣ／ＤＣコンバータ６４との間には電圧センサ６６が接続される。電圧センサ６６は、二次電池６１の端子間電圧を測定する。電流センサ６５及び電圧センサ６６の測定値を表す信号はメイン制御部２０に送信される。

メイン制御部２０が有する充電残量推定部２２は、電流センサ６５または電圧センサ６６の測定値、または両方のセンサ６５，６６の測定値を用いて二次電池６１の充電残量として、充電割合であるＳＯＣ（State Of Charge）を算出によって推定する。ＳＯＣは、二次電池６１の設定値としての満充電量に対する現在の充電量の割合である。この満充電量は一定値としてもよいが、二次電池６１の使用期間に応じて徐々に、例えば所定の関係式に基づき、または所定割合を乗算して低下させてもよい。

例えば、充電残量推定部２２は、走行中において随時測定した二次電池６１の開放電圧（ＯＣＶ）に基づいて、予め定めた開放電圧とＳＯＣとの関係である電圧ＳＯＣ関係からＳＯＣを推定することができる。また、その代わりに、走行中において随時測定した二次電池６１の入出力電流と電圧との積算から求めた充放電電力量と、走行中において随時測定した開放電圧とを用いて、上記の電圧ＳＯＣ関係から算出したＳＯＣを、充放電電力量で随時補正することもできる。

また、電流センサ６５及び電圧センサ６６の測定値は、メイン制御部２０が有する劣化推定部２３で二次電池６１の劣化状態を推定するためにも用いられる。具体的には、劣化推定部２３には、電流センサ６６及び電圧センサ６６から、二次電池６１の電流値及び二次電池６１の端子間電圧の測定値がそれぞれ入力される。劣化推定部２３は、その電流値及び端子間電圧から二次電池６１の内部抵抗値を算出する。そして、劣化推定部２３は、内部抵抗値と劣化状態との予め設定された関係に基づいて、算出された内部抵抗値から劣化状態を推定する。これについては後で図２を用いて説明する。

走行用モータ６２は、三相交流モータであり、車両の車輪（図示せず）を駆動するための駆動軸（図示せず）の駆動源として用いられる。また、燃料電池１２及び二次電池６１は、エアコンプレッサ３１、水素循環ポンプ４１等の燃料電池１２を発電するための補機にも電力を供給することが可能である。

メイン制御部２０は、燃料電池１２の発電運転を制御するものである。メイン制御部２０は、車両のアクセルペダルの操作量（踏み量）を検出するアクセルセンサ（図示せず）、車速を検出する車速センサ（図示せず）等からの信号、エアコンプレッサ３１等の補機の動作状態を表す信号に基づいて、システム要求電力を算出する。メイン制御部２０は、システム要求電力における、燃料電池１２と二次電池６１との分担量を決定し、決定された燃料電池１２の要求発電量を発電するように、エアコンプレッサ３１、遮断弁４２ａ、水素循環ポンプ４１等の補機の駆動を制御する。

また、車両走行時における二次電池６１の走行用、すなわち走行用モータ６２の駆動用として取り出し可能な電力は、新品状態の使用開始初期時から所定期間経過時まで、所定の割合で減じられた電力に制限される。これにより、二次電池６１の長期間の使用による劣化により走行時に出力が変動して運転者が違和感を生じさせることを抑制できる。

また、燃料電池１２の運転停止の指示を受けた場合に、燃料電池１２は運転が停止され、かつ、メイン制御部２０の起動が停止される。メイン制御部２０には、始動制御部７０が接続されており、この始動制御部７０によって、メイン制御部２０の起動停止から所定時間経過時にメイン制御部２０が起動される。始動制御部７０はメイン制御部２０への給電を制御することにより、メイン制御部２０の電源のオンとオフとを切り替える。始動制御部７０はタイマー回路７１を有し、タイマー回路７１が所定時間経過時であることを取得する。そして始動制御部７０は、所定時間経過時にメイン制御部２０に給電を行うことでメイン制御部２０を起動させる。タイマー回路７１の起動は、メイン制御部２０が起動を停止する毎にメイン制御部２０から指令が出されることにより実行される。

さらに、メイン制御部２０のパージ処理実行部２１により、終了時パージ処理と、駐車時パージ処理とが実行される。「終了時パージ処理」は、運転者が車両の走行を停止させた状態で、イグニッションキー等の始動指示部をオフに操作することで燃料電池１２の運転停止の指示を出し、その指示を受けたメイン制御部２０が実行させる処理である。終了時パージ処理は、アノード側及びカソード側の両方で実行される。アノード側でのパージ処理の実行は次のようにして行う。まず、水素循環ポンプ４１を駆動させ、燃料電池１２に残留している水素を含むガスをパージガスとして循環させる。そして、予め設定された所定タイミングでパージ弁４８を開き、気液分離部４５で分離された水分を排水する。これにより、燃料電池１２の運転停止の際に燃料電池１２の内部及び燃料電池１２に接続された流路におけるアノード側のガス流路にパージガスを流すことができ、ガス流路を掃気して、ガス流路に残留する水を排出させることができる。このとき、二次電池６１の電力で駆動される水素循環ポンプ４１及びパージ弁４８が、ガス流路にパージガスを流すガス供給部として機能する。

なお、アノード側でのパージ処理において、パージ弁４８及び遮断弁４２ａを開き、レギュレータ４２ｂの開度を大きくし、かつ、水素循環ポンプ４１を駆動してもよい。これによっても、燃料電池１２の内部及び燃料電池１２に接続された流路におけるガス流路にパージガスが流れる。このとき、二次電池６１の電力で駆動される遮断弁４２ａ、レギュレータ４２ｂ、水素循環ポンプ４１、及びパージ弁４８が、ガス流路にパージガスを流すガス供給部として機能する。

一方、カソード側でのパージ処理の実行は、背圧弁３５を開き、エアコンプレッサ３１により所定量の空気をパージガスとして燃料電池１２に供給することにより実行される。これにより、燃料電池１２の運転停止の際に燃料電池の内部及び燃料電池に接続された流路におけるカソード側のガス流路にパージガスを流すことができ、ガス流路を掃気して、ガス流路に残留する水を排出させることができる。このとき、二次電池６１の電力で駆動されるエアコンプレッサ３１及び背圧弁３５が、ガス流路にパージガスを流すガス供給部として機能する。なお、カソードガス供給排出部３０のカソードガス供給路３２には開閉弁が設けられてもよい。このとき、パージ処理を行う場合には、この開閉弁もガス供給部として開く。

一方、「駐車時パージ処理」は、終了時パージ処理の実行後に、第１温度センサ８０により測定した燃料電池１２の温度測定値が所定温度以下、例えば０℃近傍の値になった場合にそれを開始条件として、メイン制御部２０が実行させる処理である。駐車時パージ処理は、燃料電池１２の運転停止の指示を受けた後、上記の温度測定値が所定温度以下を開始条件とするものであればよく、終了時パージ処理の非実行の場合に駐車時パージ処理のみが実行されてもよい。駐車時パージ処理の開始条件が成立した場合には、車両の低温環境での放置等により燃料電池１２の温度が０℃以下になることが予測されるので、その場合でもガス流路に残留する水分が凍結することがないようにパージ処理が実行される。このときも、終了時パージ処理と同様に、アノード側及びカソード側の両方で実行される。

駐車時パージ処理は、低温環境下で実行されるので、燃料電池１２の内部の水蒸気の大部分を結露させて、燃料電池１２の内部の水分を効率的に除去することができる。

ここで、上記のように車両走行時における二次電池６１の取り出し可能電力は、使用開始初期時から所定期間経過時まで、所定の割合で減じられた電力に制限される。一方、駐車時パージ処理でこのように制限された電力を二次電池６１の取り出し可能電力とした場合には、実際の二次電池６１の状態が良好の場合でも、二次電池６１の取り出し可能電力が過剰に制限される可能性がある。これにより、二次電池６１の電力によって駐車時パージ処理を実行しようとしても、二次電池６１の出力不足で駐車時パージ処理を十分に行えない可能性がある。このため、燃料電池の内部のガス流路に水分が残留して、それが低温時に凍結する可能性がある。実施形態は、このような不都合を防止するために、メイン制御部２０は次のように二次電池６１の取り出し可能電力として、二次電池６１の実際の劣化に応じてパージ用許容電力を算出する。

具体的には、メイン制御部２０のパージ処理実行部２１は、予め二次電池６１の劣化状態、充電残量及び二次電池温度と、パージ用許容電力との関係である二次電池劣化電力関係を設定し、その関係をメイン制御部２０の記憶部に記憶させる。パージ処理実行部２１は、二次電池劣化電力関係と、劣化推定部２３により推定された二次電池６１の劣化状態、充電残量推定部２２において推定された充電残量、及び第２温度センサ８１で測定された二次電池温度の測定値とを用いてパージ用許容電力を算出する。

ここで、劣化状態は、走行時の二次電池６１の内部抵抗値の測定値から推定する。図２は、二次電池６１の内部抵抗値と二次電池６１の劣化状態に相当する経過年数との関係を示す図である。図２に示すように、二次電池６１の内部抵抗値が高くなるほど劣化が進行していることが分かっている。メイン制御部２０の劣化推定部２３は、電流センサ６５及び電圧センサ６６の測定値から二次電池６１の内部抵抗値を算出し、その内部抵抗値と、図２に示す関係とを用いて、現在の二次電池６１の劣化状態を、経過年数（経年数）に相当する劣化として推定する。このとき、実際の経過年数に関係なく劣化状態を推定することができる。

また、内部抵抗値を算出するために用いる電流センサ６５及び電圧センサ６６の測定値は、走行時に測定された値を用いる。この理由は、走行時の方が走行停止時よりも電流の変動が大きく内部抵抗値の測定精度が高いからである。

図３は、二次電池６１の内部抵抗を測定するための二次電池６１の入出力電流と二次電池６１の端子間電圧との関係を示す図である。二次電池６１の電流値が増大するほど電圧値は低下し、電流値の変動が大きいほど電圧値の変動が大きくなる。例えば、電流値が負側と正側とに変動する場合には、電流及び電圧の変化をより大きくできるので、内部抵抗値の測定精度を高くしやすい。メイン制御部２０は、走行中に電流値が大きく変動する所定のタイミングで、所定の短時間、電流値の変動量Ｉａ及び電圧値の変動量Ｖａから内部抵抗値を測定することができる。図３において、内部抵抗値は、電流及び電圧の関係を規定する直線αの傾きである。

また、実施形態では、メイン制御部２０の記憶部において、上記の二次電池劣化電力関係をマップのデータとして記憶させている。図４は、実施形態において、二次電池６１の劣化状態、充電残量であるＳＯＣ及び二次電池温度とパージ用許容電力との関係を表すマップのデータを示す図である。

図４に示すように、マップは、複数の劣化状態として、一例として、新品相当、５年劣化相当、１０年劣化相当、１５年劣化相当で分けられている。また、それぞれの劣化状態に対応するマップでは、ＳＯＣと二次電池温度とに応じてパージ用許容電力が設定されている。図４の縦の欄はＳＯＣ（％）が異なることを示し、横の欄は二次電池温度（℃）が異なることを示している。図４の例では、新品相当の劣化状態におけるパージ用許容電力をＡｉｊの記号で示している。ｉは１から５のいずれかの整数であり、ｊは１から６のいずれかの整数である。実際にはＡｉｊに数値が代入される。図４に示すように、二次電池温度が低くなるほど（図３の左に向かうほど）パージ用許容電力Ａｉｊは小さくなり、ＳＯＣが小さくなるほど（図３の上に向かうほど）パージ用許容電力Ａｉｊは小さくなる。

５年劣化相当、１０年劣化相当、１５年劣化相当のマップでも新品相当のマップの場合と同様の傾向で、パージ用許容電力が設定されている。図４では、５年劣化相当、１０年劣化相当、１５年劣化相当のマップにおいて、パージ用許容電力Ｂｉｊ、Ｃｉｊ、Ｄｉｊの一部のみを示している。さらに、二次電池の劣化状態が悪化するほど、パージ用許容電力は小さくなる。

パージ処理実行部２１は、図４に示すマップと、推定した劣化状態、測定したＳＯＣ及び二次電池温度とから、対応するパージ用許容電力を取得することにより算出する。

また、図４で示す各マップで規定されていない、劣化状態、ＳＯＣ、または二次電池温度に対応するパージ用許容電力を求める場合には、その劣化状態、ＳＯＣ、または二次電池温度の両側で規定されるパージ用許容電力から補間によって対応する電力値を算出する。

そして、パージ処理実行部２１は、駐車時パージ処理の実行における二次電池６１の取り出し可能電力をこのようにして算出したパージ用許容電力に制限して、駐車時パージ処理を実行させる。

次に、図５に示すフローチャートを用いて、実施形態の燃料電池システムで実行する駐車時パージ処理の制御方法を説明する。図５のステップＳ１０（以下、ステップＳは単にＳと記載する。）において、劣化推定部２３は、走行時において、電流センサ６５による測定値（電池電流）及び電圧センサ６６による測定値（電池電圧）により、二次電池６１の内部抵抗値を算出する。また、Ｓ１０では、充電残量推定部２２は、走行時における電池電流及び電池電圧の一方または両方からＳＯＣを算出する。

次いで、Ｓ１２において、車両が走行を停止した状態で、メイン制御部２０が燃料電池１２の運転停止指示を受けた場合には、燃料電池１２の運転が停止された後でパージ処理実行部２１が終了時パージ処理を実行させる（Ｓ１４）。このとき、アノード側、カソード側両方でのパージ処理が実行されるが、アノード側、カソード側の一方のみでパージ処理が実行されてもよい。

終了時パージ処理の終了後には、メイン制御部２０の起動が停止される（Ｓ１６）。このとき始動制御部７０のタイマー回路７１が起動される。

そして、Ｓ１８において、タイマー回路７１が所定時間経過時であることを取得すると、始動制御部７０がメイン制御部２０を起動させて、メイン制御部２０は燃料電池１２の温度を第１温度センサ８０により測定させて監視する。

Ｓ２０ではパージ処理実行部２１が、第１温度センサ８０により測定された燃料電池１２の温度が所定温度以下であるか否かを判定する。Ｓ２０の判定結果が肯定、すなわち燃料電池１２の温度が所定温度以下であれば、Ｓ２２で二次電池６１の内部抵抗値より予め設定された関係を用いて、劣化推定部２３が現在の二次電池の劣化状態を推定する。

そして、推定された二次電池の劣化状態及びＳＯＣと、二次電池温度の測定値とにより、予め設定された二次電池劣化電力関係を用いて、二次電池６１のパージ用許容電力を算出する（Ｓ２４）。

次いで、二次電池６１の取り出し可能電力をその算出されたパージ用許容電力に制限して、駐車時パージ処理を実行させる（Ｓ２６）。Ｓ２６の処理の終了により、駐車時パージ処理を行うための制御を終了する。このとき、アノード側、カソード側両方でのパージ処理が実行されるが、アノード側、カソード側の一方のみでパージ処理が実行されてもよい。

一方、Ｓ２０の判定結果が否定、すなわち燃料電池１２の温度が所定温度を超える場合には、Ｓ２８で駐車時パージ処理を実行しないように制御される。そして、Ｓ３０において、メイン制御部２０の再停止後、所定時間経過時に始動制御部７０によってメイン制御部２０が再起動され、メイン制御部２０が燃料電池１２の温度を第１温度センサ８０により測定させて監視し、Ｓ２０に戻って処理を繰り返す。

上記の燃料電池システムによれば、二次電池６１の現在の劣化状態に応じて二次電池６１のパージ用許容電力が算出されるので、車両の放置時における駐車時パージ処理用の二次電池６１の取り出し可能電力が過度に制限されることが防止される。これにより、二次電池６１の出力を十分に確保でき、燃料電池１２内のガス流路において水分が残留して低温時に凍結することを抑制できる。

図６は、実施形態における二次電池６１の経過年数とパージ用許容電力との関係を示す図である。図６において、実線βは、駐車時パージ処理用のパージ用許容電力と経過年数との関係を示している。また、図６の破線γは、二次電池６１の走行用許容電力と経過年数との関係を示している。図６では、電池温度及びＳＯＣがそれぞれ同じで経過年数が変化する場合を示している。

図６に実線βで示すように、パージ用許容電力は、経過年数０の新品状態時からＫ年経過時までの間で徐々に低下はするが、ある程度大きい電力を維持できる。一方、図６の破線γで示す走行用許容電力は、新品状態時からＫ年経過時までにおいて、駐車時パージ処理用の許容電力の初期値より低い一定値に制限されている。これにより、走行時に運転者が二次電池６１の出力低下により違和感を生じることが防止される。また、駐車時パージ処理用のパージ用許容電力を走行用許容電力と同じとする場合に比べて、図６の斜線部の分だけ駐車時パージ処理における二次電池６１の出力を高くできる。図６では、二次電池６１の実際の劣化状態が経過年数に応じて徐々に悪化する場合を示している。一方、二次電池６１の使用頻度または環境等によっては二次電池６１の劣化が経過年数に相当する程度には悪化していない場合があり、そのような場合に出力を高くできることで実施形態の効果が顕著になる。

また、劣化推定部２３は、走行中において随時測定した二次電池６１の内部抵抗値に基づいて、予め定めた二次電池６１の内部抵抗値と劣化状態との関係から劣化状態を推定する。これにより、二次電池６１の入出力電流の変化が大きい車両の走行中に二次電池６１の内部抵抗値を測定するので、内部抵抗値の測定精度を高くできる。これにより、劣化状態の推定精度を高くできる。

また、充電残量推定部２２は、走行中において測定した二次電池６１の開放電圧に基づいて、予め定めた開放電圧と充電残量の関係から充電残量を推定する構成とすることができる。これにより、車両の走行中に測定した二次電池６１の開放電圧に基づいて、充電残量を推定するので、充電残量の推定精度を高くできる。

なお、パージ用許容電力は、二次電池６１の使用開始時の電力を１００％として、その後の使用による変化度合いによってパージ用許容電力を変化させてもよい。その構成によれば、パージ用許容電力の算出の容易化を図れるので、パージ処理実行部におけるパージ用許容電力の算出速度を速くできる。

また、車両の走行中における二次電池６１の取り出し可能電力は、使用開始当初から使用開始時の電力に対し所定の安全率を乗算して算出されたものを用いることができる。このとき、使用開始当初のパージ用許容電力は、走行中の取り出し可能電力より大きくする。この構成によれば、燃料電池システムの使用開始当初において、走行時における運転者の違和感を生じさせることなく、パージ処理における二次電池６１の出力を高くできる。

また、パージ用許容電力は、充電残量と温度とから求める出力制限値に、劣化による制限すべき所定割合を乗算して求める構成としてもよい。この構成によれば、出力制限値に所定割合を乗算してパージ用許容電力を求めるので、充電残量、温度、劣化のそれぞれに基づくマップを用いてパージ用許容電力を算出する場合と異なり、パージ用許容電力の算出に用いる記憶部での記憶容量を小さくできる。

また、上記では、二次電池６１の劣化状態を、走行中に測定した二次電池６１の内部抵抗に基づいて推定する場合を説明した。一方、二次電池６１の内部抵抗に基づく以外にも、二次電池６１の使用年数または走行距離と劣化状態との予め設定された関係を用いて、パージ処理実行部２１で取得した使用年数または走行距離に基づいて、二次電池６１の劣化状態を推定する構成としてもよい。

また、上記では、パージ用許容電力を、駐車時パージ処理を行う際の取り出し可能電力として用いる場合を説明したが、パージ用許容電力を、終了時パージ処理を行う際の取り出し可能電力として用いてもよい。この場合も、二次電池６１の出力を十分に確保でき、燃料電池内のガス流路において水分が残留して低温時に凍結することを抑制できる。

１０ 車両用燃料電池システム（燃料電池システム）、１２ 燃料電池、２０ メイン制御部、２１ パージ処理実行部、２２ 充電残量推定部、２３ 劣化推定部、３０ カソードガス供給排出部、３１ エアコンプレッサ、３２ カソードガス供給路、３３ エアクリーナ、３４ カソードオフガス排出路、３５ 背圧弁、４０ アノードガス供給排出部、４１ 水素循環ポンプ、４２ アノードガス供給路、４２ａ 遮断弁、４２ｂ レギュレータ、４３ 水素タンク、４４ アノードオフガス排出路、４５ 気液分離部、４６ 循環路、４７ 排水路、４８ パージ弁、５０ 冷媒循環冷却部、５１ ラジエータ、５２冷媒排出路、５３ 冷媒供給路、５４ 冷媒循環ポンプ、６０ 外部回路、６１ 二次電池、６２ 走行用モータ、６３ インバータ、６４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、６５ 電流センサ、６６ 電圧センサ、７０ 始動制御部、７１ タイマー回路、８０ 第１温度センサ、８１ 第２温度センサ。

Claims (1)

1. 燃料電池を備える車両用燃料電池システムであって、
   前記燃料電池で発電した電力を蓄電する二次電池と、
   前記燃料電池の温度を測定する第１温度測定部と、
   前記二次電池の温度を測定する第２温度測定部と、
   前記二次電池の充電残量を推定する充電残量推定部と、
   前記二次電池の劣化状態を推定する劣化推定部と、
   前記二次電池の電力で駆動され、前記燃料電池の内部のガス流路にパージガスを流すガス供給部と、
   前記ガス供給部を制御して、前記パージガスによる前記燃料電池の掃気である駐車時パージ処理を実行させるパージ処理実行部とを備え、
   前記パージ処理実行部は、前記燃料電池の運転停止の指示を受けた後に、前記第１温度測定部により測定した前記燃料電池の温度の測定値が所定温度以下になった場合において、前記二次電池の劣化状態、充電残量及び二次電池温度の測定値を用いて、パージ用許容電力を算出し、前記二次電池の取り出し可能電力を前記パージ用許容電力に制限して駐車時パージ処理を実行させる、車両用燃料電池システム。

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