JP3846346B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の電源として燃料電池と２次電池とを備えた燃料電池車の開発が進んでいる。内燃機関を原動力とする車輌と同様に、燃料電池車においても燃費向上のために、停車時或いは低負荷時のアイドルストップが考慮されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−３０７７５８号公報には、燃料電池車の燃料節約のために、アクセルペダルの踏込み操作量を介して運転者が要求する車両の駆動要求パワーに応じて、駆動要求パワーが所定値以下である場合は、燃料電池の運転を補機も含めて停止し、２次電池単独で駆動要求パワーに対応している。これにより燃料電池による発電としては効率の悪い運転点を回避し、システム効率を向上させようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術では、燃料電池の発電を停止する判断条件として、駆動要求パワーが所定値以下である状態を判断基準としている。
【０００５】
しかしながら、燃料電池が十分に暖機（暖機とは、単に燃料電池内を意図的に昇温することだけを意味しているのではなく、燃料電池が発電するのに最適な状態を意図的に作り出す行程を意味しており、本発明では、その様な行程を暖機と呼ぶことにする。）が完了されていない状態においては、そもそも運転効率が低く、発電を停止しても効率向上にあまり寄与できない。
【０００６】
逆に、燃料電池システムの暖機中に発電を中止することは、暖機の完了を遅らせて低効率の運転時間を長引かせることにより、システム効率の低下を招く場合もあるという問題点があった。
【０００７】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池のシステム効率を改善することができる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にあっては、燃料電池システムの制御装置において、燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、該状態検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する安定発電状態判定手段と、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しない発電停止許可手段と、燃料電池の全てのセル電圧をセル毎又はセル群毎に検出するセル電圧検出手段と、該セル電圧検出手段が検出したセル電圧と所望の電圧値とを比較し、所望の電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出するセル電圧比較手段と、該セル電圧比較手段の比較結果に基づいて、セル電圧回復装置の操作を行うセル電圧回復装置操作手段と、該セル電圧回復装置操作手段の出力に基づいて、セル電圧回復装置が継続して停止した状態であるセル電圧回復装置停止状態継続時間を計測するセル電圧回復装置停止時間計測手段と、を備え、前記安定発電状態判定手段は、前記セル電圧回復装置停止時間計測手段が計測したセル電圧回復装置停止状態継続時間が所定時間以上となったときに、前記安定発電状態と判定することを要旨とする。
また、本発明にあっては、燃料電池システムの制御装置において、燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、該状態検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する安定発電状態判定手段と、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しない発電停止許可手段と、該発電停止許可手段が発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、安定発電状態になるまでは発電停止を許可しないので発電が継続され、より早く安定発電状態に到達するようになり、安定発電状態以前の低効率運転時間を短縮し、燃料電池のシステム効率を改善することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。この第１実施形態は、電動車両の電源として用いられる燃料電池システムを例示している。
【００１２】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給する水素及び空気を加湿する加湿器３と、加湿器３に加湿用純水を供給する純水ポンプ５と、空気を圧縮して加湿器３へ送るコンプレッサ７と、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンク９と、高圧水素の流量を制御する可変バルブ１１と、燃料電池から出てきた未使用の水素を上流へ還流するためのイジェクタ１３と、空気の圧力及び流量を制御するスロットル１５と、水素系の通路を大気開放し水を外部に排出することにより燃料電池セル電圧の回復を行うセル電圧回復装置であるパージ弁１７と、燃料電池から出力を取り出す駆動ユニット１９と、燃料電池へ流入する空気流量を検出する空気流量センサ２１と、燃料電池入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ２３と、燃料電池へ流入する水素流量を検出する水素流量センサ２５と、燃料電池入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ２７と、各センサの信号とセル電圧検出装置の出力を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ２９と、燃料電池スタック１の全セルの電圧をセル毎あるいはセル群毎に検出するセル電圧検出装置３１と、燃料電池の温度を検出する温度センサ３３と、運転者の操作する車両のイグニッションキーの状態を示すキーＳＷ３５と、を備えている。
【００１３】
燃料電池の状態を検出する状態検出手段は、セル電圧検出装置３１及び温度センサ３３が該当する。
【００１４】
コントローラ２９は、安定発電状態判定手段４１と、発電停止許可手段４２と、発電量制限手段４３と、セル電圧比較手段４４と、セル電圧回復装置であるパージ弁１７を操作するセル電圧回復装置操作手段４５と、セル電圧回復装置停止時間計測手段４６とを備え、これらを内蔵プログラムにより実現している。
【００１５】
安定発電状態判定手段４１は、燃料電池の状態を検出する状態検出手段であるセル電圧検出装置３１及び温度センサ３３から燃料電池の状態を読み込み、これらの検出結果に基づいて燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する。
【００１６】
発電停止許可手段４２は、安定発電状態判定手段４１が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、安定発電状態判定手段４１が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しないように制御する。
【００１７】
発電量制限手段４３は、発電停止許可手段４２が発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する。
【００１８】
セル電圧比較手段４４は、セル電圧検出手段であるセル電圧検出装置３１が検出したセル電圧と所望の電圧値とを比較し、所望の電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出する。
【００１９】
セル電圧回復装置操作手段４５は、セル電圧比較手段４４の比較結果に基づいて、セル電圧回復装置であるパージ弁１７の操作を行うものである。
【００２０】
セル電圧回復装置停止時間計測手段４６は、セル電圧回復装置操作手段４５の出力に基づいて、パージ弁１７が継続して閉じた（セル電圧回復装置が継続して停止した）状態であるセル電圧回復装置停止状態継続時間を計測する。
【００２１】
次に、図１に示した燃料電池システムの動作を説明する。コンプレッサ７は空気を圧縮して加湿器３へ送る。加湿器３では純水ポンプ５により供給された純水で圧縮空気を加湿する。加湿された空気は燃料電池スタック１の空気極（不図示）へ送り込まれる。スロットル１５で空気系の圧力制御が行われる。
【００２２】
水素系では、高圧水素タンク９から供給される水素の流量を可変バルブ１１で制御して、燃料電池水素極圧力を所望の値とする。また、イジェクタ１３で還流量と合流し、次に加湿器３へ送られる。加湿器３では空気と同様に純水ポンプ５で供給された純水で水素を加湿する。加湿された水素が燃料電池スタック１の水素極（不図示）へ送り込まれる。
【００２３】
燃料電池スタック１では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流（電力）を駆動ユニット１９へ供給する。
【００２４】
燃料電池スタック１で反応に使用した残りの空気は、スロットル１５を介して燃料電池外へ排出される。また、反応に使用した残りの水素は燃料電池外へ排出されるが、イジェクタ１３によって加湿器３の上流へ還流されて発電に再利用する。
【００２５】
空気流量センサ２１、空気圧力センサ２３、水素流量センサ２５、水素圧力センサ２７、セル電圧検出装置３１、の各センサの検出値はコントローラ２９へ読み込まれる。
【００２６】
コントローラ２９では、読み込んだ各値が、その時の目標発電量から決まる所定の目標値になるようコンプレッサ７、スロットル１５、可変バルブ１１を制御するとともに、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック１から駆動ユニット１９へ取り出す出力（電流値）を指令し制御を行う。
【００２７】
さらに本実施形態のコントローラ２９は、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定し、その判定結果に基づいて、燃料電池の発電停止を許可するか否かを判定する。燃料電池の起動後、安定発電状態にあると判定するまでの間は、発電停止を許可しない。
【００２８】
発電停止を許可している間で、燃料電池の負荷が低負荷である場合、たとえば、車両の停止時あるいは減速時に、発電停止を許可していれば発電を停止させる。また、発電停止を許可しない間であっても、運転停止時（キーＳＷ３５がＯＦＦになった時）またはフェール発生時などの緊急時には発電を停止させる。
【００２９】
図１１は、以上のコントローラ２９による発電停止の処理フローを示す図である。同図において、まずＳ６０でシステムフェール要因の有無を判定する。システムフェール要因があれば、燃料電池の発電を継続することができないので、Ｓ６５へ移り発電停止して終了する。Ｓ６０の判定でシステムフェール要因がなければ、Ｓ６１へ移りキーＳＷ３５がＯＦＦされたか否かを判定する。キーＳＷのＯＦＦであれば、Ｓ６５へ移る。キーＳＷのＯＦＦでなければ、Ｓ６２へ移り停車中（または減速中）か否かを判定する。Ｓ６２の判定で停車中（または減速中）でなければ、Ｓ６４へ移り発電を継続する。Ｓ６２の判定で停車中（または減速中）であれば、Ｓ６３へ移り発電停止が許可されているか否かを判定する。Ｓ６３で発電停止が許可されていなければ、Ｓ６４へ移る。Ｓ６３で発電停止が許可されていれば、Ｓ６５へ移り、発電を停止して終了する。
【００３０】
さらに本実施形態のコントローラ２９は、燃料電池の全セルの電圧をセル毎またはセル群毎に検出するセル電圧検出手段であるセル電圧検出装置３１の出力に基づき、全セルの電圧のうち、所望とする電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出し、この検出出力に基づいて、セル電圧回復装置であるパージ弁１７の操作を行う。
【００３１】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態検出手段としてセル電圧回復装置操作手段の出力に基づき、セル電圧回復装置が継続して停止した状態で発電している時間を計測するセル電圧回復装置停止時間計測手段の役割を有する。
【００３２】
なお、本実施形態ではセル電圧回復装置停止時間が所定継続時間以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【００３３】
さらに、本実施形態のコントローラ２９は、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する燃料電池発電量制限手段を兼ね、燃料電池システムの湿度に応じて発電量を制限する。
【００３４】
次に本実施形態の作用を説明する。概略の作用は、セル電圧検出装置３１による燃料電池スタック１のセル電圧状態に基づいて、特に電圧の低いセル又はセル群があるか否かを判定し、この判定によってパージ弁１７の開閉を操作し、パージ弁１７の全閉状態が継続して所定時間まで達した場合に、安定発電状態であるとして燃料電池スタック１の発電停止を許可する。
【００３５】
次に、図２の制御フローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について、処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００３６】
まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、燃料電池スタック１のセル電圧をセル電圧検出装置３１により検出し、コントローラ２９へ読み込む。Ｓ１２では、燃料電池のセル電圧を比較判定する。Ｓ１４では、所望とする電圧値に満たない低電圧セルがあるか否かを判定する。
【００３７】
ここで所望とする電圧は、全セル電圧の平均電圧値Ｖave の所定割合（例えば、０．８倍）である電圧Ｖthr （Ｖthr ＝０．８×Ｖave ）とする。このようセル電圧の例を図５（ａ）に示す。同図において、セル番号ｋのセル電圧がＶthr 未満となっている。図５（ｂ）に示すようにセル番号ｋのセル電圧が他のセル電圧より低くてもＶthr 以上であれば、低電圧セルが有るとは判定しない。
【００３８】
Ｓ１４の判定で低電圧セルが無ければ、Ｓ１６へ進み、パージ弁１７が開いているか否かを判定する。パージ弁１７が開いていなければ、Ｓ１８へ進み、パージ弁閉状態を継続して、Ｓ２０へ進み、パージ弁閉時間（セル電圧回復装置停止状態継続時間）を計測するパージ弁閉時間計測タイマの作動を継続させる。
【００３９】
次いで、Ｓ２２でパージ弁閉時間計測タイマの計測時間が所定時間（例えば、所定値ｔendは、５分）以上となったか否かを判定し、所定時間以上であれば、Ｓ２４で燃料電池の発電停止を許可状態として終了する。
【００４０】
図４（ａ）は、パージ弁閉状態の計測時間の例を示し、図４（ｂ）は、対応するパージ弁１７の開閉状態を示す。
【００４１】
Ｓ２２の判定で、パージ弁閉時間計測タイマの計測時間が所定時間未満であれば、Ｓ２６へ移り、燃料電池の発電停止を不許可状態として終了する。
【００４２】
Ｓ１６のパージ弁１７が開いているか否かの判定で、パージ弁が開いていれば、セル電圧回復操作によりセル電圧が回復している状態なので、Ｓ２８へ移りパージ弁１７を閉じて、Ｓ３０へ移る。Ｓ３０では、パージ弁閉時間計測タイマによるパージ弁閉時間計測を開始して、Ｓ２６へ移る。
【００４３】
Ｓ１４の判定で低電圧セルが有れば、Ｓ３２へ進み、パージ弁１７が開いているか否かを判定する。パージ弁１７が開いていれば、Ｓ３４へ進み、パージ弁開状態を継続して、Ｓ２６へ移る。Ｓ３２の判定でパージ弁１７が開いていなければ、低電圧セルの電圧を回復すべく、Ｓ３６でパージ弁１７を開く。次いで、パージ弁閉時間計測タイマをリセットして、Ｓ２６へ移る。２６では、先に説明したように、燃料電池の発電停止を不許可状態として終了する。
【００４４】
ここで、所望とするセル電圧に満たないセルの検出方法の一例について説明する。まず、図５にあるように、検出したセル電圧の平均電圧値をＶave ［ｖ］とし、所定割合をａ（たとえば０．８）とすると、所定割合の電圧値Ｖthr ［ｖ］は式（１）となる。
【００４５】
【数１】
Ｖthr ＝ａ×Ｖave …（１）
各セルの電圧値をＶ（ｎ）とすると、
【数２】
Ｖ（ｎ）＜Ｖthr …（２）
式（２）を満たす電圧値のセルを検出する（図５）。
【００４６】
図３は、図２の燃料電池セル電圧の比較判定（Ｓ１２及びＳ１４）の詳細を説明するフローチャートである。
【００４７】
まずＳ１２１でｎ個のセル電圧Ｖ（ｎ）の平均値Ｖave を算出する。次いでＳ１２２でしきい値Ｖthr を算出する。このしきい値Ｖthr は、平均値Ｖave に一定の係数ａ（例えば、ａ＝０．８）を乗じたものである。次いでＳ１２３で制御変数ｉの初期値を１に設定する。
【００４８】
Ｓ１２４でｉ番目のセルの電圧Ｖ（ｉ）としきい値Ｖthr とを比較し、Ｖ（ｉ）がしきい値Ｖthr 未満であるか否かを判定する。Ｓ１２４の判定がＹｅｓであれば、所望の電圧値に満たない低電圧セルが有ると判定する。Ｓ１２４の判定がＮｏであれば、Ｓ１２５でｉが最後のセル番号ｎで有るか否かを判定する。ｉが最後のセル番号でなければ、Ｓ１２６へ移りｉを１だけ増加させてＳ１２４へ戻る。
【００４９】
Ｓ１２５の判定でｉが最後のセル番号で有れば、全てのセル電圧がしきい値Ｖthr 以上であったので、低電圧セル無しとする。
【００５０】
尚、本実施形態においては、セル電圧検出手段であるセル電圧検出装置３１が各セル電圧を検出して、コントローラ２９に送信し、コントローラ２９のセル電圧比較手段４４が所望の電圧値に満たないセルの有無を検出するものとしたが、コントローラ２９によるセル電圧比較機能をセル電圧検出装置３１に備えて、セル電圧比較結果である所望の電圧値に満たないセルの有無をセル電圧検出装置３１からコントローラ２９に伝えるようにしてもよい。
【００５１】
また、燃料電池スタック１が多数のセルからなる場合、各セル毎のセル電圧を検出するのではなく、直列接続された複数のセルを纏めたセル群毎にセル群電圧を検出して、セル群電圧の平均値に基づくしきい値に満たないセル群電圧の有無から水詰まりを起こしているセルの有無を判定するようにしてもよい。この場合、水詰まりの判定精度は多少低下するが、セル電圧検出装置３１の構成が大幅に簡略化される。
【００５２】
さらに、本実施形態では上記のような計算例を記載したが、その他にも、セル電圧から偏差を算出し、その偏差の所定値に満たないセルを検出することにより、上記以外の計算方法による検出も可能である。
【００５３】
図６に、燃料電池発電量制限の処理内容を示す。
【００５４】
Ｓ４０では、燃料電池の発電停止許可中であるかを判定し、許可されていればＳ４６に進み、燃料電池発電量の制限を行わない。Ｓ４０で燃料電池の発電停止が許可されてなければ、Ｓ４２に進む。Ｓ４２では、燃料電池活性度を演算し、Ｓ４４では、Ｓ４２で演算した活性度に応じて、燃料電池の発電量制限値を設定して発電量を制限させる。
【００５５】
ここで、Ｓ４２の燃料電池活性度演算方法として、燃料電池スタック内の温度から燃料電池活性度状態を算出する方法の一例について説明する。
【００５６】
温度センサ３３については、燃料電池スタック１の内部に設けることにより、燃料電池内の温度を検出する方法と、燃料電池スタックの冷却水系配管に設け、冷却水温度を検出する方法などがある。いずれの方法においても、燃料電池の暖機終了状態における燃料電池内温度、もしくは冷却水温度の目標温度を事前の実験などにより推定し、これを目標温度Ｔtar ［Ｋ］とする。次に、燃料電池運転時の燃料電池内温度、もしくは冷却水温度をＴt1［Ｋ］とすると、燃料電池スタック内の活性度ＡT は、式（３）または式（４）となる（図８）。
【００５７】
［数３］
Ｔtar ＞Ｔt1のとき、
ＡT ＝ｆ（Ｔt1／Ｔtar） …（３）
Ｔtar ≦Ｔt1のとき、
ＡT ＝１ …（４）
図７は、上記の燃料電池活性度演算を説明するフローチャートである。まず、Ｓ５０において、温度センサ３３が測定した燃料電池の温度Ｔt1をコントローラ２９へ読み込む。次いでＳ５２で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満か否かを判定し、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar以上であれば、Ｓ５４へ移り活性度ＡT＝１として終了する。Ｓ５２の判定で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満であれば、Ｓ５６へ移り、活性度ＡT＝ｆ（Ｔt1／Ｔtar）として終了する。
【００５８】
次に、図６のＳ４４の燃料電池の発電量制限方法について説明する。
【００５９】
燃料電池発電量が高負荷まで安定して電力を取り出すことができる状態での燃料電池の発電量の上限値をＰmax［ｋＷ］とすると、燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］を、式（５）により決定して、燃料電池の発電量を制限する（図９）。
【００６０】
【数４】
Ｐlmt＝ＡT×Ｐmax …（５）
Ｔtar ＜Ｔt1のときは、ＡT＝１となるので、実質的にＰlmt ＝Ｐmax となり発電量制限がない状態になる。
また別の方法として、燃料電池運転開始時の燃料電池内温度、もしくは燃料電池冷却水温度ＴST［Ｋ］における燃料電池スタック内の活性度をＡSTとして、Ｔtar ＞Ｔt1の場合の燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］を、
【数５】
Ｐlmt＝ＡST×Ｐmax …（６）
式（６）として燃料電池の発電量を制限することも可能である（図９−ｂ）。
【００６１】
［第１実施形態の効果］
以上説明した第１実施形態によれば、以下に示す効果がある。燃料電池の起動後、安定発電状態にあると判定するまでの間は、発電停止を許可しないので、発電継続時間が長くなり早期に暖機され安定発電状態となる。
【００６２】
燃料電池が十分に暖機（暖機とは、単に燃料電池内を意図的に昇温することだけを意味しているのではなく、燃料電池が発電するのに最適な状態を意図的に作り出す行程の意味）が完了されていない状態においては、運転効率が低い。
【００６３】
この状態では低負荷であっても燃料電池の運転を継続して早期の暖機を進めることが、結果的に燃費効率の向上に寄与することになる。
【００６４】
パージ弁閉状態継続時間の所定値ｔend［ｓ］は、少なくとも５分間程度としているので、図１０（ａ）、（ｂ）にあるように、パージ弁閉状態の継続時間の計測値が所定値ｔend［ｓ］に達していない場合には、発電停止を不許可としている本実施形態の場合（図１０（ａ））は、発電停止を許可している場合（比較例：図１０（ｂ））よりも、安定発電状態になるまでに（ｔ2−ｔ1 ）［ｓ］早くなる可能性がある。
【００６５】
さらに図１０（ｂ）の比較例のように、燃料電池が十分に温まっていない状態から運転し、一旦発電を停止した場合、燃料電池内に水が凝結し、再起動時にこれを除去するための供給空気量を増量したり、水素を排出しつつ燃料電池内の凝結水を吹き飛ばす操作などを行う必要が生じる場合がある。これらもまた、システム効率を悪化させる原因となり、本来の目的であるシステム効率の向上に反する結果となる場合もある。したがって、燃料電池の運転を停止し、暖機を遅らせることは、車両の運転性に制限を設ける状況や、あるいは２次電池を酷使し効率低下を招く状況を生み出すこととなる場合もあるという問題点もあった。本発明では発電を継続することで上記問題点を解決できる。
【００６６】
また、安定発電状態をセル電圧回復装置停止時間で判定するので正確な判定ができる。
【００６７】
セル電圧回復装置として、燃料電池内の液水を排出する装置を用いたので、燃料電池内の状態を元に戻すことで効率を悪化させることなくセル電圧を回復させることが可能となる。
【００６８】
また、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限することで発電が不安定な状態に陥ることを抑制できる。
【００６９】
燃料電池の温度に応じて発電量を制限するので必要以上に制限をかけることが無くなる。
【００７０】
発電停止許可手段が発電停止をしない間であっても、運転停止時は発電を停止させるので無用に運転を継続して燃費を悪化させることはない。
【００７１】
発電停止許可手段が発電停止を許可しない間であっても、緊急時には発電を停止させるのでより安全に点検、修理作業に取り掛かることができる。
【００７２】
発電停止許可手段が発電停止を許可している間で、燃料電池の負荷が低負荷である場合には発電を停止させることで燃費が向上する。
【００７３】
特に電動車両の停止時、減速時の少なくとも一方の時に発電停止許可手段が発電停止を許可していれば発電を停止させるので、動力性能に影響を与えることなく車両の燃費を向上させることができる。
【００７４】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第２実施形態を説明する。
【００７５】
図１〜５に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７６】
燃料電池発電量制限の処理内容で第１実施形態と異なる図６のＳ４２（燃料電池活性度演算）を中心に説明する。
【００７７】
本実施形態のコントローラ２９は、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する燃料電池発電量制限手段を兼ね、燃料電池のセル電圧に応じて発電量を制限する。
【００７８】
本実施形態のＳ４２では、セル電圧平均値から燃料電池活性度を演算するものであり、Ｓ４２以降の手順は、第１実施形態と同様である。
【００７９】
ここで、Ｓ４２の燃料電池活性度状態推定方法として、セル電圧平均値を元に燃料電池活性度状態を算出する方法の一例について説明する。
【００８０】
セル電圧の検出については、燃料電池外部に設けた各セルあるいはセル群の電圧値を検出するセル電圧検出装置３１により検出する。
【００８１】
また、燃料電池発電量が高負荷まで安定して取り出すことのできる状態における取り出し電流値Ｉ［Ａ］の時のセル電圧平均値の目標平均電圧値を事前の実験などにより推定し、それを目標平均電圧値Ｖave_tar（Ｉ）［Ｖ］とする。次ぎに、ある時のセル電圧平均値をＶave_t1（Ｉ）［Ｖ］とすると（図１３（ａ））、燃料電池スタック内の活性度ＡV は、以下に示す式（７）、式（８）となる（図１３（ｂ））。
【００８２】
［数６］
Ｖave_tar （Ｉ）＞Ｖave_t1（Ｉ）のとき、
ＡV ＝ｇ｛Ｖave_t1（Ｉ）／Ｖave_tar（Ｉ）｝ …（７）
Ｖave_tar（Ｉ）≦Ｖave_t1（Ｉ）のとき、
ＡV ＝１ …（８）
以上の第２実施形態における燃料電池活性度演算を図１２のフローチャートを参照して説明する。
【００８３】
図１２において、まずＳ７０でセル電圧平均値Ｖave_t1（Ｉ）を検出する。次いでＳ７１で燃料電池スタック１からの取り出し電流値Ｉを検出する。Ｓ７２で取り出し電流値Ｉに対応した目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）を推定する。
これは、予め記憶したマップを参照する。次いでＳ７３でＶave_t1（Ｉ）とＶave_tar（Ｉ）とを比較し、大小判定する。Ｖave_t1（Ｉ）≧Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ７４へ移り、活性度ＡV ＝１として終了する。Ｓ７３の判定で、Ｖave_t1（Ｉ）＜Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ７５へ移り、活性度ＡV ＝ｇ｛Ｖave_t1（Ｉ）／Ｖave_tar（Ｉ）｝として終了する。
【００８４】
次に、Ｓ４４の燃料電池発電量制限方法について説明する。
【００８５】
高負荷まで安定して電力を取り出すことができる状態での燃料電池の発電量の上限値をＰmax［ｋＷ］とすると、燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］は、
【数７】
Ｐlmt ＝ＡV ×Ｐmax …（９）
式（９）として燃料電池の発電量を制限する（図１４）。
【００８６】
Ｖave_tar（Ｉ）≦Ｖave_t1（Ｉ）のときはＡV＝１となるので実質的にＰlmt ＝Ｐmax となり制限がない状態となる。
【００８７】
また別の方法として、燃料電池運転開始時のセル電圧平均値Ｖave_ts［Ｖ］における活性度をＡSVとして、Ｖave_tar （Ｉ）＞Ｖave_t1（Ｉ）の場合の燃料電池発電量制限値Ｐlmt ［ｋＷ］を、
［数８］
Ｐlmt ＝ＡSV ×Ｐamx …（１０）
式（１０）として燃料電池の発電量を制限することも可能である（図１５）。
【００８８】
［第２実施形態の効果］
以上説明した第２実施形態によれば、セル電圧検出手段の出力であるセル電圧値を検出して発電制限量を決めるので、より正確な制限量を設定できる。
【００８９】
また、セル電圧検出自体は他の制御とも共用できるので、コストアップを抑制できる。
【００９０】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第３実施形態を説明する。図１〜５に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００９１】
本実施形態において、燃料電池発電量制限の処理内容で第１実施形態と異なる図６のＳ４２を中心に説明する。
【００９２】
本実施形態のコントローラ２９は、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する燃料電池発電量制限手段を兼ね、燃料電池の温度と燃料電池のセル電圧に応じて発電量を制限する。
【００９３】
本実施形態のＳ４２では、燃料電池の温度とセル電圧平均値から燃料電池活性度を演算するものであり、Ｓ４２以降の手順は、第１実施形態と同様である。
【００９４】
ここで、Ｓ４２の燃料電池活性度状態推定方法として、燃料電池の温度とセル電圧平均値を元に燃料電池活性度を算出する方法の一例について説明する。
【００９５】
活性度ＡT 、ＡV のそれぞれの算出方法については、第１、第２実施形態と同様である。
【００９６】
ある時の燃料電池スタック内の活性度ＡT_V は、燃料電池活性度ＡT 、ＡV 、から、
【数９】
ＡT_V ＝ＡT ×ＡV …（１１）
式（１１）とする。
【００９７】
以上のセル電圧平均値と燃料電池温度とを用いた燃料電池活性度の演算を図１６のフローチャートを参照して説明する。まずＳ８０で、セル電圧平均値Ｖave_t1（Ｉ）を検出する。次いでＳ８１で燃料電池スタック１からの取り出し電流値Ｉを検出する。Ｓ８２で取り出し電流値Ｉに対応した目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）を推定する。これは、予め記憶したマップを参照する。
【００９８】
次いでＳ８３でＶave_t1（Ｉ）とＶave_tar（Ｉ）とを比較し、大小判定する。Ｖave_t1（Ｉ）≧Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ８４へ移り、活性度ＡV ＝１としてＳ８６へ移る。Ｓ８３の判定で、Ｖave_t1（Ｉ）＜Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ８５へ移り、活性度ＡV ＝ｇ｛Ｖave_t1（Ｉ）／Ｖave_tar（Ｉ）｝としてＳ８６へ移る。
【００９９】
Ｓ８６では、温度センサ３３が測定した燃料電池の温度Ｔt1をコントローラ２９へ読み込む。次いでＳ８７で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満か否かを判定し、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar以上であれば、Ｓ８８へ移り活性度ＡT＝１としてＳ９０へ移る。Ｓ８７の判定で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満であれば、Ｓ８９へ移り、活性度ＡT＝ｆ（Ｔt1／Ｔtar）としてＳ９０へ移る。Ｓ９０では、燃料電池スタック内の活性度ＡT_V ＝ＡT ×ＡV として終了する。
【０１００】
次に、Ｓ４４の燃料電池発電量制限方法について説明する。
【０１０１】
高負荷まで安定して電力を取り出すことができる状態での燃料電池の発電量の上限値をＰmax ［ｋＷ］とすると、燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］は、
【数１０】
Ｐlmt ＝ＡT_V ×Ｐmax …（１２）
式（１２）として燃料電池の発電量を制限する。
【０１０２】
［第３実施形態の効果］
以上説明した第３実施形態によれば、燃料電池の状態を反映する温度、セル電圧の双方を用いることでより適切な発電量制限値を設定できる。
【０１０３】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第４実施形態を説明する。
【０１０４】
図１に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態検出手段として、燃料電池の起動からの経過時間を測定する手段の役割を兼ねる。
【０１０６】
なお、本実施形態では燃料電池の起動からの経過時間が所定時間以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【０１０７】
図１７は、本実施形態における燃料電池の発電停止許可の処理内容を示すフローチャートである。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。なお、経過時間の所定値としては５分程度の値を設定する。
【０１０８】
図１７において、Ｓ９２で燃料電池の起動時からの経過時間を計測する。次いで、Ｓ９３で計測時間が所定値に到達したか否かを判定する。所定値に到達していればＳ９４へ移り燃料電池の発電停止を許可して終了する。Ｓ９３で所定時間に到達していなければ、Ｓ９５へ移り、燃料電池の発電停止を許可せずに終了する。
【０１０９】
［第４実施形態の効果］
以上説明した第４実施形態によれば、特に燃料電池システム内の状態を計測するセンサを設けることなく、コントローラが通常備える計時機能のみで燃料電池の安定発電状態を判定できるので、簡略な制御構成とすることができる。
【０１１０】
燃料電池システムの安定状態は個々のシステムによりさまざまなパラメータ（温度、出力電圧など）に依存するが、いずれに起因する場合であっても起動からの運転継続時間とともに安定方向に向かうので、本実施形態の方法ではいかなるシステムにも対処できる。
【０１１１】
［第５実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第５実施形態を説明する。
【０１１２】
図１に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態判定手段の役割を兼ね、本実施形態では温度センサ３３が検出した燃料電池の温度が所定温度以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【０１１４】
図１８は、本実施形態における燃料電池の発電停止許可の処理内容を示すフローチャートである。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。なお、Ｔtar は第１実施形態の活性度算出の場合と同様の算出方法を用いることができる。
【０１１５】
図１８において、まずＳ９６で温度センサ３３の温度計測値Ｔt1をコントローラ２９へ読み込む。次いで、Ｓ９７で目標温度Ｔtarの一定割合である所定温度値Ｔtar×ｋ（例えば、ｋ＝０．８）と温度計測値Ｔt1とを比較する。Ｓ９７の比較で、Ｔtar×ｋ＜Ｔt1であれば、Ｓ９８へ移り、燃料電池の発電停止を許可して終了する。Ｓ９７の比較で、Ｔtar×ｋ＜Ｔt1でなければ、Ｓ９９へ移り、燃料電池の発電停止を不許可として終了する。
【０１１６】
［第５実施形態の効果］
以上説明した第５実施形態によれば、燃料電池システム内の状態として温度を計測することで、より正確に安定発電状態を判定できる。特に燃料電池システムの安定状態が温度に起因するシステムに好適である。
【０１１７】
また温度計測自体はシステム内の他の制御と共用できるのでコストアップを抑制できる。
【０１１８】
［第６実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第６実施形態を説明する。
【０１１９】
図１に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２０】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態判定手段の役割を兼ね、本実施形態では燃料電池のセル電圧が所定電圧以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【０１２１】
図１９は、本実施形態における燃料電池の発電停止許可の処理内容を示すフローチャートである。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。なお、Ｖave_t1、Ｉ、Ｖave_tar などは第２実施形態の活性度算出と同様の算出方法を用いることができる。
【０１２２】
図１９において、まずＳ１０１で、セル電圧平均値Ｖave_t1（Ｉ）を検出する。次いでＳ１０２で燃料電池スタック１からの取り出し電流値Ｉを検出する。Ｓ１０３で取り出し電流値Ｉに対応した目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）を推定する。これは、予め記憶したマップを参照する。次いでＳ１０４で、目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）の一定割合であるＶave_tar（Ｉ）×ｋ（例えば、ｋ＝０．８）とＶave_t1（Ｉ）とを比較し、大小判定する。
【０１２３】
Ｓ１０４の判定で、Ｖave_tar（Ｉ）×ｋ＜Ｖave_t1（Ｉ）であれば、Ｓ１０５へ移り、燃料電池の発電停止を許可して終了する。Ｓ１０４の判定で、Ｖave_tar（Ｉ）×ｋ＜Ｖave_t1（Ｉ）でなければ、Ｓ１０６へ移り、燃料電池の発電停止を不許可として終了する。
【０１２４】
［第６実施形態の効果］
以上説明した第６実施形態によれば、燃料電池システム内の状態としてセル電圧を計測することで、より正確に安定発電状態を判定できる。
【０１２５】
特に燃料電池システムの安定発電状態がセル電圧に起因するシステムに好適である。
【０１２６】
またセル電圧計測自体はシステム内の他の制御と共用できるのでコストアップを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】第１実施形態における燃料電池セル電圧の比較判定処理の詳細を説明するフローチャートである。
【図４】（ａ）パージ弁閉状態継続時間と（ｂ）パージ弁の開閉状態との関係を説明する図である。
【図５】（ａ）セル番号ｋのセル電圧低下によりセル電圧回復動作が必要な状態を説明するセル電圧分布図、（ｂ）セル電圧回復動作が不要な状態を説明するセル電圧分布図、（ｃ）セル電圧が良好なセル電圧分布図である。
【図６】第１実施形態における発電量制限処理を説明するフローチャートである。
【図７】第１実施形態における燃料電池活性度演算処理を説明するフローチャートである。
【図８】スタック内温度に対するスタック内活性度を説明するグラフである。
【図９】（ａ）スタック内温度、（ｂ）スタック内活性度、（ｃ）スタック発電量制限値、（ｄ）スタック発電量制限値を説明するタイムチャートである。
【図１０】（ａ）本発明による燃料電池暖機時間と、（ｂ）比較例の暖機時間を説明するタイムチャートである。
【図１１】発電停止の処理フローを示す図である。
【図１２】第２実施形態における燃料電池活性度演算処理を説明するフローチャートである。
【図１３】（ａ）燃料電池の状態と取り出し可能な電流値に対するセル電圧平均値を説明するグラフである。（ｂ）セル電圧平均値に対するスタック内活性度を説明する図である。
【図１４】（ａ）セル電圧平均値、（ｂ）スタック活性度、（ｃ）スタック発電量制限値をそれぞれ示すタイムチャートである。
【図１５】（ａ）セル電圧平均値、（ｂ）スタック発電量制限値をそれぞれ示すタイムチャートである。
【図１６】第３実施形態における燃料電池活性度演算処理を説明するフローチャートである。
【図１７】第４実施形態における燃料電池発電停止の許可／不許可を説明するフローチャートである。
【図１８】第５実施形態における燃料電池発電停止の許可／不許可を説明するフローチャートである。
【図１９】第６実施形態における燃料電池発電停止の許可／不許可を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
３…加湿器
５…純水ポンプ
７…コンプレッサ
９…高圧水素タンク
１１…可変バルブ
１３…イジェクタ
１５…スロットル
１７…パージ弁（セル電圧回復装置）
１９…駆動ユニット
２１…空気流量センサ
２３…空気圧力センサ
２５…水素流量センサ
２７…水素圧力センサ
２９…コントローラ
３１…セル電圧検出装置
３３…温度センサ
３５…キーＳＷ
４１…安定発電状態判定手段
４２…発電停止許可手段
４３…発電量制限手段
４４…セル電圧比較手段
４５…セル電圧回復装置操作手段
４６…セル電圧回復装置停止時間計測手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の電源として燃料電池と２次電池とを備えた燃料電池車の開発が進んでいる。内燃機関を原動力とする車輌と同様に、燃料電池車においても燃費向上のために、停車時或いは低負荷時のアイドルストップが考慮されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−３０７７５８号公報には、燃料電池車の燃料節約のために、アクセルペダルの踏込み操作量を介して運転者が要求する車両の駆動要求パワーに応じて、駆動要求パワーが所定値以下である場合は、燃料電池の運転を補機も含めて停止し、２次電池単独で駆動要求パワーに対応している。これにより燃料電池による発電としては効率の悪い運転点を回避し、システム効率を向上させようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術では、燃料電池の発電を停止する判断条件として、駆動要求パワーが所定値以下である状態を判断基準としている。
【０００５】
しかしながら、燃料電池が十分に暖機（暖機とは、単に燃料電池内を意図的に昇温することだけを意味しているのではなく、燃料電池が発電するのに最適な状態を意図的に作り出す行程を意味しており、本発明では、その様な行程を暖機と呼ぶことにする。）が完了されていない状態においては、そもそも運転効率が低く、発電を停止しても効率向上にあまり寄与できない。
【０００６】
逆に、燃料電池システムの暖機中に発電を中止することは、暖機の完了を遅らせて低効率の運転時間を長引かせることにより、システム効率の低下を招く場合もあるという問題点があった。
【０００７】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池のシステム効率を改善することができる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にあっては、燃料電池システムの制御装置において、燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、該状態検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する安定発電状態判定手段と、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しない発電停止許可手段と、燃料電池の全てのセル電圧をセル毎又はセル群毎に検出するセル電圧検出手段と、該セル電圧検出手段が検出したセル電圧と所望の電圧値とを比較し、所望の電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出するセル電圧比較手段と、該セル電圧比較手段の比較結果に基づいて、セル電圧回復装置の操作を行うセル電圧回復装置操作手段と、該セル電圧回復装置操作手段の出力に基づいて、セル電圧回復装置が継続して停止した状態であるセル電圧回復装置停止状態継続時間を計測するセル電圧回復装置停止時間計測手段と、を備え、前記安定発電状態判定手段は、前記セル電圧回復装置停止時間計測手段が計測したセル電圧回復装置停止状態継続時間が所定時間以上となったときに、前記安定発電状態と判定することを要旨とする。
また、本発明にあっては、燃料電池システムの制御装置において、燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、該状態検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する安定発電状態判定手段と、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しない発電停止許可手段と、該発電停止許可手段が発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、安定発電状態になるまでは発電停止を許可しないので発電が継続され、より早く安定発電状態に到達するようになり、安定発電状態以前の低効率運転時間を短縮し、燃料電池のシステム効率を改善することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。この第１実施形態は、電動車両の電源として用いられる燃料電池システムを例示している。
【００１２】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給する水素及び空気を加湿する加湿器３と、加湿器３に加湿用純水を供給する純水ポンプ５と、空気を圧縮して加湿器３へ送るコンプレッサ７と、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンク９と、高圧水素の流量を制御する可変バルブ１１と、燃料電池から出てきた未使用の水素を上流へ還流するためのイジェクタ１３と、空気の圧力及び流量を制御するスロットル１５と、水素系の通路を大気開放し水を外部に排出することにより燃料電池セル電圧の回復を行うセル電圧回復装置であるパージ弁１７と、燃料電池から出力を取り出す駆動ユニット１９と、燃料電池へ流入する空気流量を検出する空気流量センサ２１と、燃料電池入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ２３と、燃料電池へ流入する水素流量を検出する水素流量センサ２５と、燃料電池入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ２７と、各センサの信号とセル電圧検出装置の出力を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ２９と、燃料電池スタック１の全セルの電圧をセル毎あるいはセル群毎に検出するセル電圧検出装置３１と、燃料電池の温度を検出する温度センサ３３と、運転者の操作する車両のイグニッションキーの状態を示すキーＳＷ３５と、を備えている。
【００１３】
燃料電池の状態を検出する状態検出手段は、セル電圧検出装置３１及び温度センサ３３が該当する。
【００１４】
コントローラ２９は、安定発電状態判定手段４１と、発電停止許可手段４２と、発電量制限手段４３と、セル電圧比較手段４４と、セル電圧回復装置であるパージ弁１７を操作するセル電圧回復装置操作手段４５と、セル電圧回復装置停止時間計測手段４６とを備え、これらを内蔵プログラムにより実現している。
【００１５】
安定発電状態判定手段４１は、燃料電池の状態を検出する状態検出手段であるセル電圧検出装置３１及び温度センサ３３から燃料電池の状態を読み込み、これらの検出結果に基づいて燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する。
【００１６】
発電停止許可手段４２は、安定発電状態判定手段４１が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、安定発電状態判定手段４１が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しないように制御する。
【００１７】
発電量制限手段４３は、発電停止許可手段４２が発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する。
【００１８】
セル電圧比較手段４４は、セル電圧検出手段であるセル電圧検出装置３１が検出したセル電圧と所望の電圧値とを比較し、所望の電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出する。
【００１９】
セル電圧回復装置操作手段４５は、セル電圧比較手段４４の比較結果に基づいて、セル電圧回復装置であるパージ弁１７の操作を行うものである。
【００２０】
セル電圧回復装置停止時間計測手段４６は、セル電圧回復装置操作手段４５の出力に基づいて、パージ弁１７が継続して閉じた（セル電圧回復装置が継続して停止した）状態であるセル電圧回復装置停止状態継続時間を計測する。
【００２１】
次に、図１に示した燃料電池システムの動作を説明する。コンプレッサ７は空気を圧縮して加湿器３へ送る。加湿器３では純水ポンプ５により供給された純水で圧縮空気を加湿する。加湿された空気は燃料電池スタック１の空気極（不図示）へ送り込まれる。スロットル１５で空気系の圧力制御が行われる。
【００２２】
水素系では、高圧水素タンク９から供給される水素の流量を可変バルブ１１で制御して、燃料電池水素極圧力を所望の値とする。また、イジェクタ１３で還流量と合流し、次に加湿器３へ送られる。加湿器３では空気と同様に純水ポンプ５で供給された純水で水素を加湿する。加湿された水素が燃料電池スタック１の水素極（不図示）へ送り込まれる。
【００２３】
燃料電池スタック１では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流（電力）を駆動ユニット１９へ供給する。
【００２４】
燃料電池スタック１で反応に使用した残りの空気は、スロットル１５を介して燃料電池外へ排出される。また、反応に使用した残りの水素は燃料電池外へ排出されるが、イジェクタ１３によって加湿器３の上流へ還流されて発電に再利用する。
【００２５】
空気流量センサ２１、空気圧力センサ２３、水素流量センサ２５、水素圧力センサ２７、セル電圧検出装置３１、の各センサの検出値はコントローラ２９へ読み込まれる。
【００２６】
コントローラ２９では、読み込んだ各値が、その時の目標発電量から決まる所定の目標値になるようコンプレッサ７、スロットル１５、可変バルブ１１を制御するとともに、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック１から駆動ユニット１９へ取り出す出力（電流値）を指令し制御を行う。
【００２７】
さらに本実施形態のコントローラ２９は、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定し、その判定結果に基づいて、燃料電池の発電停止を許可するか否かを判定する。燃料電池の起動後、安定発電状態にあると判定するまでの間は、発電停止を許可しない。
【００２８】
発電停止を許可している間で、燃料電池の負荷が低負荷である場合、たとえば、車両の停止時あるいは減速時に、発電停止を許可していれば発電を停止させる。また、発電停止を許可しない間であっても、運転停止時（キーＳＷ３５がＯＦＦになった時）またはフェール発生時などの緊急時には発電を停止させる。
【００２９】
図１１は、以上のコントローラ２９による発電停止の処理フローを示す図である。同図において、まずＳ６０でシステムフェール要因の有無を判定する。システムフェール要因があれば、燃料電池の発電を継続することができないので、Ｓ６５へ移り発電停止して終了する。Ｓ６０の判定でシステムフェール要因がなければ、Ｓ６１へ移りキーＳＷ３５がＯＦＦされたか否かを判定する。キーＳＷのＯＦＦであれば、Ｓ６５へ移る。キーＳＷのＯＦＦでなければ、Ｓ６２へ移り停車中（または減速中）か否かを判定する。Ｓ６２の判定で停車中（または減速中）でなければ、Ｓ６４へ移り発電を継続する。Ｓ６２の判定で停車中（または減速中）であれば、Ｓ６３へ移り発電停止が許可されているか否かを判定する。Ｓ６３で発電停止が許可されていなければ、Ｓ６４へ移る。Ｓ６３で発電停止が許可されていれば、Ｓ６５へ移り、発電を停止して終了する。
【００３０】
さらに本実施形態のコントローラ２９は、燃料電池の全セルの電圧をセル毎またはセル群毎に検出するセル電圧検出手段であるセル電圧検出装置３１の出力に基づき、全セルの電圧のうち、所望とする電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出し、この検出出力に基づいて、セル電圧回復装置であるパージ弁１７の操作を行う。
【００３１】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態検出手段としてセル電圧回復装置操作手段の出力に基づき、セル電圧回復装置が継続して停止した状態で発電している時間を計測するセル電圧回復装置停止時間計測手段の役割を有する。
【００３２】
なお、本実施形態ではセル電圧回復装置停止時間が所定継続時間以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【００３３】
さらに、本実施形態のコントローラ２９は、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する燃料電池発電量制限手段を兼ね、燃料電池システムの湿度に応じて発電量を制限する。
【００３４】
次に本実施形態の作用を説明する。概略の作用は、セル電圧検出装置３１による燃料電池スタック１のセル電圧状態に基づいて、特に電圧の低いセル又はセル群があるか否かを判定し、この判定によってパージ弁１７の開閉を操作し、パージ弁１７の全閉状態が継続して所定時間まで達した場合に、安定発電状態であるとして燃料電池スタック１の発電停止を許可する。
【００３５】
次に、図２の制御フローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池システムの運転方法について、処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００３６】
まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、燃料電池スタック１のセル電圧をセル電圧検出装置３１により検出し、コントローラ２９へ読み込む。Ｓ１２では、燃料電池のセル電圧を比較判定する。Ｓ１４では、所望とする電圧値に満たない低電圧セルがあるか否かを判定する。
【００３７】
ここで所望とする電圧は、全セル電圧の平均電圧値Ｖave の所定割合（例えば、０．８倍）である電圧Ｖthr （Ｖthr ＝０．８×Ｖave ）とする。このようセル電圧の例を図５（ａ）に示す。同図において、セル番号ｋのセル電圧がＶthr 未満となっている。図５（ｂ）に示すようにセル番号ｋのセル電圧が他のセル電圧より低くてもＶthr 以上であれば、低電圧セルが有るとは判定しない。
【００３８】
Ｓ１４の判定で低電圧セルが無ければ、Ｓ１６へ進み、パージ弁１７が開いているか否かを判定する。パージ弁１７が開いていなければ、Ｓ１８へ進み、パージ弁閉状態を継続して、Ｓ２０へ進み、パージ弁閉時間（セル電圧回復装置停止状態継続時間）を計測するパージ弁閉時間計測タイマの作動を継続させる。
【００３９】
次いで、Ｓ２２でパージ弁閉時間計測タイマの計測時間が所定時間（例えば、所定値ｔendは、５分）以上となったか否かを判定し、所定時間以上であれば、Ｓ２４で燃料電池の発電停止を許可状態として終了する。
【００４０】
図４（ａ）は、パージ弁閉状態の計測時間の例を示し、図４（ｂ）は、対応するパージ弁１７の開閉状態を示す。
【００４１】
Ｓ２２の判定で、パージ弁閉時間計測タイマの計測時間が所定時間未満であれば、Ｓ２６へ移り、燃料電池の発電停止を不許可状態として終了する。
【００４２】
Ｓ１６のパージ弁１７が開いているか否かの判定で、パージ弁が開いていれば、セル電圧回復操作によりセル電圧が回復している状態なので、Ｓ２８へ移りパージ弁１７を閉じて、Ｓ３０へ移る。Ｓ３０では、パージ弁閉時間計測タイマによるパージ弁閉時間計測を開始して、Ｓ２６へ移る。
【００４３】
Ｓ１４の判定で低電圧セルが有れば、Ｓ３２へ進み、パージ弁１７が開いているか否かを判定する。パージ弁１７が開いていれば、Ｓ３４へ進み、パージ弁開状態を継続して、Ｓ２６へ移る。Ｓ３２の判定でパージ弁１７が開いていなければ、低電圧セルの電圧を回復すべく、Ｓ３６でパージ弁１７を開く。次いで、パージ弁閉時間計測タイマをリセットして、Ｓ２６へ移る。２６では、先に説明したように、燃料電池の発電停止を不許可状態として終了する。
【００４４】
ここで、所望とするセル電圧に満たないセルの検出方法の一例について説明する。まず、図５にあるように、検出したセル電圧の平均電圧値をＶave ［ｖ］とし、所定割合をａ（たとえば０．８）とすると、所定割合の電圧値Ｖthr ［ｖ］は式（１）となる。
【００４５】
【数１】
Ｖthr ＝ａ×Ｖave …（１）
各セルの電圧値をＶ（ｎ）とすると、
【数２】
Ｖ（ｎ）＜Ｖthr …（２）
式（２）を満たす電圧値のセルを検出する（図５）。
【００４６】
図３は、図２の燃料電池セル電圧の比較判定（Ｓ１２及びＳ１４）の詳細を説明するフローチャートである。
【００４７】
まずＳ１２１でｎ個のセル電圧Ｖ（ｎ）の平均値Ｖave を算出する。次いでＳ１２２でしきい値Ｖthr を算出する。このしきい値Ｖthr は、平均値Ｖave に一定の係数ａ（例えば、ａ＝０．８）を乗じたものである。次いでＳ１２３で制御変数ｉの初期値を１に設定する。
【００４８】
Ｓ１２４でｉ番目のセルの電圧Ｖ（ｉ）としきい値Ｖthr とを比較し、Ｖ（ｉ）がしきい値Ｖthr 未満であるか否かを判定する。Ｓ１２４の判定がＹｅｓであれば、所望の電圧値に満たない低電圧セルが有ると判定する。Ｓ１２４の判定がＮｏであれば、Ｓ１２５でｉが最後のセル番号ｎで有るか否かを判定する。ｉが最後のセル番号でなければ、Ｓ１２６へ移りｉを１だけ増加させてＳ１２４へ戻る。
【００４９】
Ｓ１２５の判定でｉが最後のセル番号で有れば、全てのセル電圧がしきい値Ｖthr 以上であったので、低電圧セル無しとする。
【００５０】
尚、本実施形態においては、セル電圧検出手段であるセル電圧検出装置３１が各セル電圧を検出して、コントローラ２９に送信し、コントローラ２９のセル電圧比較手段４４が所望の電圧値に満たないセルの有無を検出するものとしたが、コントローラ２９によるセル電圧比較機能をセル電圧検出装置３１に備えて、セル電圧比較結果である所望の電圧値に満たないセルの有無をセル電圧検出装置３１からコントローラ２９に伝えるようにしてもよい。
【００５１】
また、燃料電池スタック１が多数のセルからなる場合、各セル毎のセル電圧を検出するのではなく、直列接続された複数のセルを纏めたセル群毎にセル群電圧を検出して、セル群電圧の平均値に基づくしきい値に満たないセル群電圧の有無から水詰まりを起こしているセルの有無を判定するようにしてもよい。この場合、水詰まりの判定精度は多少低下するが、セル電圧検出装置３１の構成が大幅に簡略化される。
【００５２】
さらに、本実施形態では上記のような計算例を記載したが、その他にも、セル電圧から偏差を算出し、その偏差の所定値に満たないセルを検出することにより、上記以外の計算方法による検出も可能である。
【００５３】
図６に、燃料電池発電量制限の処理内容を示す。
【００５４】
Ｓ４０では、燃料電池の発電停止許可中であるかを判定し、許可されていればＳ４６に進み、燃料電池発電量の制限を行わない。Ｓ４０で燃料電池の発電停止が許可されてなければ、Ｓ４２に進む。Ｓ４２では、燃料電池活性度を演算し、Ｓ４４では、Ｓ４２で演算した活性度に応じて、燃料電池の発電量制限値を設定して発電量を制限させる。
【００５５】
ここで、Ｓ４２の燃料電池活性度演算方法として、燃料電池スタック内の温度から燃料電池活性度状態を算出する方法の一例について説明する。
【００５６】
温度センサ３３については、燃料電池スタック１の内部に設けることにより、燃料電池内の温度を検出する方法と、燃料電池スタックの冷却水系配管に設け、冷却水温度を検出する方法などがある。いずれの方法においても、燃料電池の暖機終了状態における燃料電池内温度、もしくは冷却水温度の目標温度を事前の実験などにより推定し、これを目標温度Ｔtar ［Ｋ］とする。次に、燃料電池運転時の燃料電池内温度、もしくは冷却水温度をＴt1［Ｋ］とすると、燃料電池スタック内の活性度ＡT は、式（３）または式（４）となる（図８）。
【００５７】
［数３］
Ｔtar ＞Ｔt1のとき、
ＡT ＝ｆ（Ｔt1／Ｔtar） …（３）
Ｔtar ≦Ｔt1のとき、
ＡT ＝１ …（４）
図７は、上記の燃料電池活性度演算を説明するフローチャートである。まず、Ｓ５０において、温度センサ３３が測定した燃料電池の温度Ｔt1をコントローラ２９へ読み込む。次いでＳ５２で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満か否かを判定し、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar以上であれば、Ｓ５４へ移り活性度ＡT＝１として終了する。Ｓ５２の判定で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満であれば、Ｓ５６へ移り、活性度ＡT＝ｆ（Ｔt1／Ｔtar）として終了する。
【００５８】
次に、図６のＳ４４の燃料電池の発電量制限方法について説明する。
【００５９】
燃料電池発電量が高負荷まで安定して電力を取り出すことができる状態での燃料電池の発電量の上限値をＰmax［ｋＷ］とすると、燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］を、式（５）により決定して、燃料電池の発電量を制限する（図９）。
【００６０】
【数４】
Ｐlmt＝ＡT×Ｐmax …（５）
Ｔtar ＜Ｔt1のときは、ＡT＝１となるので、実質的にＰlmt ＝Ｐmax となり発電量制限がない状態になる。
また別の方法として、燃料電池運転開始時の燃料電池内温度、もしくは燃料電池冷却水温度ＴST［Ｋ］における燃料電池スタック内の活性度をＡSTとして、Ｔtar ＞Ｔt1の場合の燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］を、
【数５】
Ｐlmt＝ＡST×Ｐmax …（６）
式（６）として燃料電池の発電量を制限することも可能である（図９−ｂ）。
【００６１】
［第１実施形態の効果］
以上説明した第１実施形態によれば、以下に示す効果がある。燃料電池の起動後、安定発電状態にあると判定するまでの間は、発電停止を許可しないので、発電継続時間が長くなり早期に暖機され安定発電状態となる。
【００６２】
燃料電池が十分に暖機（暖機とは、単に燃料電池内を意図的に昇温することだけを意味しているのではなく、燃料電池が発電するのに最適な状態を意図的に作り出す行程の意味）が完了されていない状態においては、運転効率が低い。
【００６３】
この状態では低負荷であっても燃料電池の運転を継続して早期の暖機を進めることが、結果的に燃費効率の向上に寄与することになる。
【００６４】
パージ弁閉状態継続時間の所定値ｔend［ｓ］は、少なくとも５分間程度としているので、図１０（ａ）、（ｂ）にあるように、パージ弁閉状態の継続時間の計測値が所定値ｔend［ｓ］に達していない場合には、発電停止を不許可としている本実施形態の場合（図１０（ａ））は、発電停止を許可している場合（比較例：図１０（ｂ））よりも、安定発電状態になるまでに（ｔ2−ｔ1 ）［ｓ］早くなる可能性がある。
【００６５】
さらに図１０（ｂ）の比較例のように、燃料電池が十分に温まっていない状態から運転し、一旦発電を停止した場合、燃料電池内に水が凝結し、再起動時にこれを除去するための供給空気量を増量したり、水素を排出しつつ燃料電池内の凝結水を吹き飛ばす操作などを行う必要が生じる場合がある。これらもまた、システム効率を悪化させる原因となり、本来の目的であるシステム効率の向上に反する結果となる場合もある。したがって、燃料電池の運転を停止し、暖機を遅らせることは、車両の運転性に制限を設ける状況や、あるいは２次電池を酷使し効率低下を招く状況を生み出すこととなる場合もあるという問題点もあった。本発明では発電を継続することで上記問題点を解決できる。
【００６６】
また、安定発電状態をセル電圧回復装置停止時間で判定するので正確な判定ができる。
【００６７】
セル電圧回復装置として、燃料電池内の液水を排出する装置を用いたので、燃料電池内の状態を元に戻すことで効率を悪化させることなくセル電圧を回復させることが可能となる。
【００６８】
また、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限することで発電が不安定な状態に陥ることを抑制できる。
【００６９】
燃料電池の温度に応じて発電量を制限するので必要以上に制限をかけることが無くなる。
【００７０】
発電停止許可手段が発電停止をしない間であっても、運転停止時は発電を停止させるので無用に運転を継続して燃費を悪化させることはない。
【００７１】
発電停止許可手段が発電停止を許可しない間であっても、緊急時には発電を停止させるのでより安全に点検、修理作業に取り掛かることができる。
【００７２】
発電停止許可手段が発電停止を許可している間で、燃料電池の負荷が低負荷である場合には発電を停止させることで燃費が向上する。
【００７３】
特に電動車両の停止時、減速時の少なくとも一方の時に発電停止許可手段が発電停止を許可していれば発電を停止させるので、動力性能に影響を与えることなく車両の燃費を向上させることができる。
【００７４】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第２実施形態を説明する。
【００７５】
図１〜５に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７６】
燃料電池発電量制限の処理内容で第１実施形態と異なる図６のＳ４２（燃料電池活性度演算）を中心に説明する。
【００７７】
本実施形態のコントローラ２９は、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する燃料電池発電量制限手段を兼ね、燃料電池のセル電圧に応じて発電量を制限する。
【００７８】
本実施形態のＳ４２では、セル電圧平均値から燃料電池活性度を演算するものであり、Ｓ４２以降の手順は、第１実施形態と同様である。
【００７９】
ここで、Ｓ４２の燃料電池活性度状態推定方法として、セル電圧平均値を元に燃料電池活性度状態を算出する方法の一例について説明する。
【００８０】
セル電圧の検出については、燃料電池外部に設けた各セルあるいはセル群の電圧値を検出するセル電圧検出装置３１により検出する。
【００８１】
また、燃料電池発電量が高負荷まで安定して取り出すことのできる状態における取り出し電流値Ｉ［Ａ］の時のセル電圧平均値の目標平均電圧値を事前の実験などにより推定し、それを目標平均電圧値Ｖave_tar（Ｉ）［Ｖ］とする。次ぎに、ある時のセル電圧平均値をＶave_t1（Ｉ）［Ｖ］とすると（図１３（ａ））、燃料電池スタック内の活性度ＡV は、以下に示す式（７）、式（８）となる（図１３（ｂ））。
【００８２】
［数６］
Ｖave_tar （Ｉ）＞Ｖave_t1（Ｉ）のとき、
ＡV ＝ｇ｛Ｖave_t1（Ｉ）／Ｖave_tar（Ｉ）｝ …（７）
Ｖave_tar（Ｉ）≦Ｖave_t1（Ｉ）のとき、
ＡV ＝１ …（８）
以上の第２実施形態における燃料電池活性度演算を図１２のフローチャートを参照して説明する。
【００８３】
図１２において、まずＳ７０でセル電圧平均値Ｖave_t1（Ｉ）を検出する。次いでＳ７１で燃料電池スタック１からの取り出し電流値Ｉを検出する。Ｓ７２で取り出し電流値Ｉに対応した目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）を推定する。
これは、予め記憶したマップを参照する。次いでＳ７３でＶave_t1（Ｉ）とＶave_tar（Ｉ）とを比較し、大小判定する。Ｖave_t1（Ｉ）≧Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ７４へ移り、活性度ＡV ＝１として終了する。Ｓ７３の判定で、Ｖave_t1（Ｉ）＜Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ７５へ移り、活性度ＡV ＝ｇ｛Ｖave_t1（Ｉ）／Ｖave_tar（Ｉ）｝として終了する。
【００８４】
次に、Ｓ４４の燃料電池発電量制限方法について説明する。
【００８５】
高負荷まで安定して電力を取り出すことができる状態での燃料電池の発電量の上限値をＰmax［ｋＷ］とすると、燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］は、
【数７】
Ｐlmt ＝ＡV ×Ｐmax …（９）
式（９）として燃料電池の発電量を制限する（図１４）。
【００８６】
Ｖave_tar（Ｉ）≦Ｖave_t1（Ｉ）のときはＡV＝１となるので実質的にＰlmt ＝Ｐmax となり制限がない状態となる。
【００８７】
また別の方法として、燃料電池運転開始時のセル電圧平均値Ｖave_ts［Ｖ］における活性度をＡSVとして、Ｖave_tar （Ｉ）＞Ｖave_t1（Ｉ）の場合の燃料電池発電量制限値Ｐlmt ［ｋＷ］を、
［数８］
Ｐlmt ＝ＡSV ×Ｐamx …（１０）
式（１０）として燃料電池の発電量を制限することも可能である（図１５）。
【００８８】
［第２実施形態の効果］
以上説明した第２実施形態によれば、セル電圧検出手段の出力であるセル電圧値を検出して発電制限量を決めるので、より正確な制限量を設定できる。
【００８９】
また、セル電圧検出自体は他の制御とも共用できるので、コストアップを抑制できる。
【００９０】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第３実施形態を説明する。図１〜５に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００９１】
本実施形態において、燃料電池発電量制限の処理内容で第１実施形態と異なる図６のＳ４２を中心に説明する。
【００９２】
本実施形態のコントローラ２９は、発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する燃料電池発電量制限手段を兼ね、燃料電池の温度と燃料電池のセル電圧に応じて発電量を制限する。
【００９３】
本実施形態のＳ４２では、燃料電池の温度とセル電圧平均値から燃料電池活性度を演算するものであり、Ｓ４２以降の手順は、第１実施形態と同様である。
【００９４】
ここで、Ｓ４２の燃料電池活性度状態推定方法として、燃料電池の温度とセル電圧平均値を元に燃料電池活性度を算出する方法の一例について説明する。
【００９５】
活性度ＡT 、ＡV のそれぞれの算出方法については、第１、第２実施形態と同様である。
【００９６】
ある時の燃料電池スタック内の活性度ＡT_V は、燃料電池活性度ＡT 、ＡV 、から、
【数９】
ＡT_V ＝ＡT ×ＡV …（１１）
式（１１）とする。
【００９７】
以上のセル電圧平均値と燃料電池温度とを用いた燃料電池活性度の演算を図１６のフローチャートを参照して説明する。まずＳ８０で、セル電圧平均値Ｖave_t1（Ｉ）を検出する。次いでＳ８１で燃料電池スタック１からの取り出し電流値Ｉを検出する。Ｓ８２で取り出し電流値Ｉに対応した目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）を推定する。これは、予め記憶したマップを参照する。
【００９８】
次いでＳ８３でＶave_t1（Ｉ）とＶave_tar（Ｉ）とを比較し、大小判定する。Ｖave_t1（Ｉ）≧Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ８４へ移り、活性度ＡV ＝１としてＳ８６へ移る。Ｓ８３の判定で、Ｖave_t1（Ｉ）＜Ｖave_tar（Ｉ）であれば、Ｓ８５へ移り、活性度ＡV ＝ｇ｛Ｖave_t1（Ｉ）／Ｖave_tar（Ｉ）｝としてＳ８６へ移る。
【００９９】
Ｓ８６では、温度センサ３３が測定した燃料電池の温度Ｔt1をコントローラ２９へ読み込む。次いでＳ８７で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満か否かを判定し、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar以上であれば、Ｓ８８へ移り活性度ＡT＝１としてＳ９０へ移る。Ｓ８７の判定で、測定温度Ｔt1が目標温度Ｔtar未満であれば、Ｓ８９へ移り、活性度ＡT＝ｆ（Ｔt1／Ｔtar）としてＳ９０へ移る。Ｓ９０では、燃料電池スタック内の活性度ＡT_V ＝ＡT ×ＡV として終了する。
【０１００】
次に、Ｓ４４の燃料電池発電量制限方法について説明する。
【０１０１】
高負荷まで安定して電力を取り出すことができる状態での燃料電池の発電量の上限値をＰmax ［ｋＷ］とすると、燃料電池発電量制限値Ｐlmt［ｋＷ］は、
【数１０】
Ｐlmt ＝ＡT_V ×Ｐmax …（１２）
式（１２）として燃料電池の発電量を制限する。
【０１０２】
［第３実施形態の効果］
以上説明した第３実施形態によれば、燃料電池の状態を反映する温度、セル電圧の双方を用いることでより適切な発電量制限値を設定できる。
【０１０３】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第４実施形態を説明する。
【０１０４】
図１に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態検出手段として、燃料電池の起動からの経過時間を測定する手段の役割を兼ねる。
【０１０６】
なお、本実施形態では燃料電池の起動からの経過時間が所定時間以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【０１０７】
図１７は、本実施形態における燃料電池の発電停止許可の処理内容を示すフローチャートである。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。なお、経過時間の所定値としては５分程度の値を設定する。
【０１０８】
図１７において、Ｓ９２で燃料電池の起動時からの経過時間を計測する。次いで、Ｓ９３で計測時間が所定値に到達したか否かを判定する。所定値に到達していればＳ９４へ移り燃料電池の発電停止を許可して終了する。Ｓ９３で所定時間に到達していなければ、Ｓ９５へ移り、燃料電池の発電停止を許可せずに終了する。
【０１０９】
［第４実施形態の効果］
以上説明した第４実施形態によれば、特に燃料電池システム内の状態を計測するセンサを設けることなく、コントローラが通常備える計時機能のみで燃料電池の安定発電状態を判定できるので、簡略な制御構成とすることができる。
【０１１０】
燃料電池システムの安定状態は個々のシステムによりさまざまなパラメータ（温度、出力電圧など）に依存するが、いずれに起因する場合であっても起動からの運転継続時間とともに安定方向に向かうので、本実施形態の方法ではいかなるシステムにも対処できる。
【０１１１】
［第５実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第５実施形態を説明する。
【０１１２】
図１に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態判定手段の役割を兼ね、本実施形態では温度センサ３３が検出した燃料電池の温度が所定温度以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【０１１４】
図１８は、本実施形態における燃料電池の発電停止許可の処理内容を示すフローチャートである。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。なお、Ｔtar は第１実施形態の活性度算出の場合と同様の算出方法を用いることができる。
【０１１５】
図１８において、まずＳ９６で温度センサ３３の温度計測値Ｔt1をコントローラ２９へ読み込む。次いで、Ｓ９７で目標温度Ｔtarの一定割合である所定温度値Ｔtar×ｋ（例えば、ｋ＝０．８）と温度計測値Ｔt1とを比較する。Ｓ９７の比較で、Ｔtar×ｋ＜Ｔt1であれば、Ｓ９８へ移り、燃料電池の発電停止を許可して終了する。Ｓ９７の比較で、Ｔtar×ｋ＜Ｔt1でなければ、Ｓ９９へ移り、燃料電池の発電停止を不許可として終了する。
【０１１６】
［第５実施形態の効果］
以上説明した第５実施形態によれば、燃料電池システム内の状態として温度を計測することで、より正確に安定発電状態を判定できる。特に燃料電池システムの安定状態が温度に起因するシステムに好適である。
【０１１７】
また温度計測自体はシステム内の他の制御と共用できるのでコストアップを抑制できる。
【０１１８】
［第６実施形態］
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第６実施形態を説明する。
【０１１９】
図１に関する内容は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２０】
本実施形態のコントローラ２９は、安定発電状態判定手段の役割を兼ね、本実施形態では燃料電池のセル電圧が所定電圧以上となったことを安定発電状態であるとして扱う。
【０１２１】
図１９は、本実施形態における燃料電池の発電停止許可の処理内容を示すフローチャートである。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば、１０［ｍｓ］毎）に実行される。なお、Ｖave_t1、Ｉ、Ｖave_tar などは第２実施形態の活性度算出と同様の算出方法を用いることができる。
【０１２２】
図１９において、まずＳ１０１で、セル電圧平均値Ｖave_t1（Ｉ）を検出する。次いでＳ１０２で燃料電池スタック１からの取り出し電流値Ｉを検出する。Ｓ１０３で取り出し電流値Ｉに対応した目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）を推定する。これは、予め記憶したマップを参照する。次いでＳ１０４で、目標セル電圧平均値Ｖave_tar（Ｉ）の一定割合であるＶave_tar（Ｉ）×ｋ（例えば、ｋ＝０．８）とＶave_t1（Ｉ）とを比較し、大小判定する。
【０１２３】
Ｓ１０４の判定で、Ｖave_tar（Ｉ）×ｋ＜Ｖave_t1（Ｉ）であれば、Ｓ１０５へ移り、燃料電池の発電停止を許可して終了する。Ｓ１０４の判定で、Ｖave_tar（Ｉ）×ｋ＜Ｖave_t1（Ｉ）でなければ、Ｓ１０６へ移り、燃料電池の発電停止を不許可として終了する。
【０１２４】
［第６実施形態の効果］
以上説明した第６実施形態によれば、燃料電池システム内の状態としてセル電圧を計測することで、より正確に安定発電状態を判定できる。
【０１２５】
特に燃料電池システムの安定発電状態がセル電圧に起因するシステムに好適である。
【０１２６】
またセル電圧計測自体はシステム内の他の制御と共用できるのでコストアップを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの制御装置の第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】第１実施形態における燃料電池セル電圧の比較判定処理の詳細を説明するフローチャートである。
【図４】（ａ）パージ弁閉状態継続時間と（ｂ）パージ弁の開閉状態との関係を説明する図である。
【図５】（ａ）セル番号ｋのセル電圧低下によりセル電圧回復動作が必要な状態を説明するセル電圧分布図、（ｂ）セル電圧回復動作が不要な状態を説明するセル電圧分布図、（ｃ）セル電圧が良好なセル電圧分布図である。
【図６】第１実施形態における発電量制限処理を説明するフローチャートである。
【図７】第１実施形態における燃料電池活性度演算処理を説明するフローチャートである。
【図８】スタック内温度に対するスタック内活性度を説明するグラフである。
【図９】（ａ）スタック内温度、（ｂ）スタック内活性度、（ｃ）スタック発電量制限値、（ｄ）スタック発電量制限値を説明するタイムチャートである。
【図１０】（ａ）本発明による燃料電池暖機時間と、（ｂ）比較例の暖機時間を説明するタイムチャートである。
【図１１】発電停止の処理フローを示す図である。
【図１２】第２実施形態における燃料電池活性度演算処理を説明するフローチャートである。
【図１３】（ａ）燃料電池の状態と取り出し可能な電流値に対するセル電圧平均値を説明するグラフである。（ｂ）セル電圧平均値に対するスタック内活性度を説明する図である。
【図１４】（ａ）セル電圧平均値、（ｂ）スタック活性度、（ｃ）スタック発電量制限値をそれぞれ示すタイムチャートである。
【図１５】（ａ）セル電圧平均値、（ｂ）スタック発電量制限値をそれぞれ示すタイムチャートである。
【図１６】第３実施形態における燃料電池活性度演算処理を説明するフローチャートである。
【図１７】第４実施形態における燃料電池発電停止の許可／不許可を説明するフローチャートである。
【図１８】第５実施形態における燃料電池発電停止の許可／不許可を説明するフローチャートである。
【図１９】第６実施形態における燃料電池発電停止の許可／不許可を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
３…加湿器
５…純水ポンプ
７…コンプレッサ
９…高圧水素タンク
１１…可変バルブ
１３…イジェクタ
１５…スロットル
１７…パージ弁（セル電圧回復装置）
１９…駆動ユニット
２１…空気流量センサ
２３…空気圧力センサ
２５…水素流量センサ
２７…水素圧力センサ
２９…コントローラ
３１…セル電圧検出装置
３３…温度センサ
３５…キーＳＷ
４１…安定発電状態判定手段
４２…発電停止許可手段
４３…発電量制限手段
４４…セル電圧比較手段
４５…セル電圧回復装置操作手段
４６…セル電圧回復装置停止時間計測手段
Claims (9)
- 燃料電池システムの制御装置において、
燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
該状態検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する安定発電状態判定手段と、
該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しない発電停止許可手段と、
燃料電池の全てのセル電圧をセル毎又はセル群毎に検出するセル電圧検出手段と、
該セル電圧検出手段が検出したセル電圧と所望の電圧値とを比較し、所望の電圧値に満たないセルあるいはセル群を検出するセル電圧比較手段と、
該セル電圧比較手段の比較結果に基づいて、セル電圧回復装置の操作を行うセル電圧回復装置操作手段と、
該セル電圧回復装置操作手段の出力に基づいて、セル電圧回復装置が継続して停止した状態であるセル電圧回復装置停止状態継続時間を計測するセル電圧回復装置停止時間計測手段と、を備え、
前記安定発電状態判定手段は、前記セル電圧回復装置停止時間計測手段が計測したセル電圧回復装置停止状態継続時間が所定時間以上となったときに、前記安定発電状態と判定することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 - 前記セル電圧回復装置は、燃料電池内の液水を排出する装置であ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の制御装置。
- 燃料電池システムの制御装置において、
燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
該状態検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池が安定発電状態にあるか否かを判定する安定発電状態判定手段と、
該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定すれば、燃料電池システムの発電停止を許可する一方、該安定発電状態判定手段が安定発電状態にあると判定しなければ、燃料電池システムの発電停止を許可しない発電停止許可手段と、
該発電停止許可手段が発電停止を許可しない間は、燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 - 燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記発電量制限手段は、前記温度検出手段が検出した温度に応じて発電量を制限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の制御装置。 - 燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、
前記発電量制限手段は、前記セル電圧検出手段が検出したセル電圧に応じて発電量を制限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の制御装置。 - 燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段とを備え、
前記発電量制限手段は、前記温度検出手段が検出した温度と前記セル電圧検出手段が検出したセル電圧とに応じて発電量を制限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の制御装置。 - 前記発電停止許可手段が発電停止を許可しない間であっても、運転停止時または緊急時には発電を停止させることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記発電停止許可手段が発電停止を許可している間で、燃料電池の負荷が低負荷である場合には発電を停止させることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 燃料電池システムが電動車両の電源として用いられ、車両の停止時、減速時の少なくとも一方の時に発電停止許可手段が発電停止を許可していれば発電を停止させることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
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