JP4612493B2 - 燃料電池移動体およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アイドル停止機能が搭載された燃料電池移動体およびその制御方法に関する。

従来から、燃料電池自動車には、水素（燃料ガス）の無駄使いなどを防止するために、燃料電池から排出された未反応の水素を燃料電池に戻して循環させるための循環装置が設けられている。このため、発電を続けていると、燃料電池のアノード極（燃料極）内に、カソード極から電解質膜を介して空気中の窒素などの不純物が透過して、発電性能が低下することが知られている。そこで、このような発電性能の低下を防止するために、燃料電池自動車には、アノード極内に蓄積した窒素などの不純物を排出するためのパージ弁と呼ばれる制御弁が設けられている。このパージ弁を制御する技術としては、燃料電池のセル電圧の低下に基づいて行われるものや、窒素の蓄積量に基づいて行われるものが提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特開２００３−１７３８０７号公報（請求項１、図３） 特開２００４−３４９０６８号公報（段落００１８、図１および図２）

近年、ガソリンや軽油などを燃料とした車両では、二酸化炭素など地球温暖化の原因となる物質や大気汚染物質の排出を削減するため、騒音やエネルギーの無駄使いなどを防止するために、停車中にエンジンを停止させるというアイドリングストップを行うことが推奨されているが、燃料電池自動車においても、アイドリングストップ機能を搭載した技術が提案されている。

しかし、特許文献１および特許文献２に記載のパージ弁を制御する技術は、いずれも燃料電池の発電中にパージ弁を制御する技術であり、アイドル停止時におけるパージ弁を制御する技術については何ら検討されていない。このため、例えばアイドル停止の時間が長時間に及んだ場合には、アノード極内に窒素などの不純物が多量に蓄積されることが予想されるため、アイドル停止から復帰後の発電性能が不安定になるという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、アイドル停止機能を備えた車両に適用することができ、アイドル停止から復帰後の発電性能を安定化できる燃料電池移動体およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池移動体は、膜電極構造体を備えた単セルが複数枚積層されて構成され、前記膜電極構造体のアノード極に供給される燃料ガスと、カソード極に供給される酸化剤とを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを前記燃料電池に戻して循環させるガス循環手段と、前記燃料電池に供給された前記燃料ガスを外部に排出するパージ弁と、アイドル停止の条件を満たすときに前記燃料電池をアイドル停止させるアイドル停止手段と、前記燃料電池のアイドル停止期間を算出するアイドル停止期間把握手段と、アイドル停止からの復帰を判断するアイドル復帰判定手段と、前記アイドル復帰判定手段がアイドル停止から復帰したと判断したときに、前記アイドル停止期間に基づいて前記パージ弁によるパージ処理の頻度を変更して前記燃料電池に供給される燃料ガスの濃度の回復処理を行う燃料ガス濃度回復手段と、前記燃料電池のアノード極側のアノード出口ガス温度を検出するアノード出口ガス温度センサと、前記燃料電池のカソード極側のカソード出口ガス温度を検出するカソード出口ガス温度センサと、を備え、前記燃料ガス濃度回復手段は、前記アノード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量と、前記カソード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量とを比較して、多い方の前記含水量に基づいて前記パージ処理の頻度を補正することを特徴とする。

本発明によれば、アイドル停止期間に基づいて燃料ガス濃度を予測することで、アイドル停止期間が長時間に及んで燃料ガス濃度が低下した場合であっても、燃料ガス濃度を確実に回復させることが可能になる。

また、アイドル停止からの復帰を判断するアイドル復帰判定手段をさらに備え、前記アイドル復帰判定手段がアイドル停止から復帰したと判断したときに、前記燃料ガス濃度回復手段が前記燃料電池の前記燃料ガスの濃度の回復処理を行う構成にすることができる。この構成によれば、アイドル停止からの復帰を確実に判断することができるので、復帰前に燃料ガス濃度を回復させる処理が無駄に行われるのを防止することができる。

例えば、前記燃料ガス濃度回復手段は、アイドル停止から復帰後の所定期間、通常運転時よりもパージ頻度を増やすものである。これにより、長時間のアイドル停止期間からの復帰であっても、燃料ガス濃度を確実に回復させることができる。

この場合、前記アイドル停止期間に応じて前記パージ頻度を可変とするようにしてもよい。これによって、一層細かなパージ処理の制御が可能になる。

また、前記燃料ガス濃度回復手段は、通常運転時よりも少なくとも初回のパージ時間を後のパージ時間よりも長く設定するものであってもよい。これにより、長時間のアイドル停止期間からの復帰であっても、燃料ガス濃度を確実に回復させることができる。

また、本発明の燃料電池移動体の制御方法は、膜電極構造体を備えた単セルが複数枚積層されて構成され、前記膜電極構造体のアノード極に供給される燃料ガスと、カソード極に供給される酸化剤とを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを再び前記燃料電池に戻すガス循環手段と、前記燃料電池に供給された前記燃料ガスを外部に排出するパージ弁と、制御手段と、を備え、アイドル停止の条件を満たすときに前記燃料電池をアイドル停止させ、アイドル停止から復帰したときにアイドル停止期間に基づいて前記パージ弁によるパージ処理の頻度を変更して前記燃料電池に供給される燃料ガスの濃度の回復処理を行う燃料電池移動体の制御方法であって、前記制御手段が、前記燃料電池のアノード極側のアノード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量と、前記燃料電池のカソード極側のカソード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量とを比較して、多い方の前記含水量に基づいて前記パージ処理の頻度を補正することを特徴とする。

本発明によれば、アイドル停止期間に基づいて燃料ガス濃度を予測することで、アイドル停止期間が長時間に及んで燃料ガス濃度が低下した場合であっても、燃料ガス濃度を確実に回復させることが可能になる。

また、前記制御手段が、アイドル停止からの復帰を検出した後に、前記燃料電池の前記燃料ガスの濃度を回復させる処理を行うことができる。これにより、アイドル停止からの復帰を確実に判断することができるので、復帰前に燃料ガス濃度を回復させる処理が無駄に行われるのを防止することができる。

例えば、前記制御手段が、アイドル停止からの復帰後の所定期間、通常運転時よりもパージ頻度を増すことによって、前記燃料ガスの濃度を回復させる処理を行うようにしてもよい。これにより、長時間のアイドル停止期間からの復帰であっても、燃料ガス濃度を確実に回復させることができる。

この場合、前記制御手段が、前記アイドル停止期間に応じて前記パージ頻度を変化させるようにしてもよい。これによって、一層細かなパージ処理の制御が可能になる。

また、前記制御手段が、通常運転時よりも少なくとも初回のパージ時間を後のパージ時間よりも長くすることによって、前記燃料ガスの濃度を回復させる処理を行うようにしてもよい。これにより、長時間のアイドル停止期間からの復帰であっても、燃料ガス濃度を確実に回復させることができる。

本発明によれば、アイドル停止期間が長時間に及ぶ場合であっても、アイドル停止から復帰後の発電性能を安定化できる。

図１は本実施形態の燃料電池自動車の電力系を示す図、図２は燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムを示す構成図、図３（ａ）はパージ頻度設定の処理を示すフローチャート、（ｂ）はパージ実行可否の処理を示すフローチャート、図４はアイドル停止期間とパージ頻度との関係を示すグラフ、図５はアイドル停止から復帰後のパージ処理を示すタイムチャートであり、（ａ）は図４の実施例１のグラフに基づくパージ処理、（ｂ）は図４の実施例２のグラフに基づくパージ処理、（ｃ）は図４の通常のグラフに基づくパージ処理を示すタイムチャートである。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池自動車Ｖは、車両１に、燃料電池システムＦ１、蓄電装置２０、制御器２１、走行モータ２２などを含んで構成されている。

図２に示すように、前記燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、水素供給手段２、空気供給手段３、ガス循環手段４、パージ弁５、制御部１０などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜ｍの一面側に触媒を含むアノード極（水素極）ｐ１、他面側に触媒を含むカソード極（酸素極）ｐ２が設けられた膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面にさらに導電性のセパレータ（図示せず）を備えた単セルが厚み方向に複数枚積層されて構成されている。また、アノード極に対面するセパレータには、燃料ガスとしての水素が流れる流路が形成され、カソード極側に対面するセパレータには、酸化剤としての空気（酸素）が流れる流路が形成されている。さらに、このセパレータには、燃料電池ＦＣを冷却するための冷媒が流れる流路が形成されている。

前記水素供給手段２は、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１に水素を供給するものであり、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１の上流側（入口側）にアノードガス配管２ｃが接続され、このアノードガス配管２ｃの最も上流側に遮断弁２ｂを備えた高圧水素タンク２ａが接続されている。また、図示していないが、この水素供給手段２には、遮断弁２ｂの下流側に高圧水素タンク２ａから放出される高圧の水素の圧力を調整するためのレギュレータなどが設けられている。また、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１の下流側（出口側）には、アノードオフガス配管２ｄが接続され、このアノードオフガス配管２ｄに後記するパージ弁５が設けられている。

前記空気供給手段３は、前記燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２に酸化剤としての空気（酸素）を供給するものであり、燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２の上流側（入口側）にカソードガス配管３ｂが接続され、このカソードガス配管３ｂの最も上流側にコンプレッサ３ａが接続されている。また、図示していないが、この空気供給手段３には、コンプレッサ３ａの下流側のカソードガス配管３ｂに、コンプレッサ３ａからの圧縮空気を冷却するための冷却装置（図示せず）や、冷却された空気を反応に適した湿度に加湿するための加湿装置（図示せず）などが設けられている。また、燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２の下流側（出口側）には、カソードオフガス配管３ｃが接続され、このカソードオフガス配管３ｃが前記アノードオフガス配管２ｄとともに車両１の外部に通じている。

前記ガス循環手段４は、エゼクタ４ａと循環ガス配管４ｂとで構成され、エゼクタ４ａが燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１の入口側に位置し、循環ガス配管４ｂの一端がアノードオフガス配管２ｄと接続され、他端がエゼクタ４ａと接続されている。エゼクタ４ａでは、高圧水素タンク２ａから燃料電池ＦＣに供給される水素の流れを利用して、燃料電池ＦＣから排出された未反応の水素を吸引して前記循環ガス配管４ｂを介して循環させることが可能となっている。

前記制御部１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、燃料電池ＦＣをアイドル停止させる機能（アイドル停止手段）、アイドル停止後のアイドル停止期間を算出する機能（アイドル停止期間把握手段）、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１の水素濃度を回復させる機能（燃料ガス濃度回復手段）およびアイドル停止からの復帰を判断する機能（アイドル復帰判定手段）を備えている。また、制御部１０は、遮断弁２ｂ、パージ弁５、コンプレッサ３ａと電気的に接続され、遮断弁２ｂやパージ弁５の開閉動作、コンプレッサ３ａに設けられたモータの回転出力を制御できるようになっている。なお、燃料電池ＦＣをアイドル停止させるとは、コンプレッサ３ａなどの燃料電池ＦＣの補機類への電力供給を停止することである。

図１に示すように、前記車両１に搭載された蓄電装置２０は、燃料電池ＦＣで発電された電気を貯めておくことができるものであり、バッテリまたはキャパシタなどで構成されている。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などであり、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどである。

前記制御器２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータなどで構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、制御部１０（図２参照）から出力される電流指令値つまり燃料電池ＦＣに対する発電指令に基づいて、燃料電池ＦＣから出力される電流を制御する。また、インバータは、制御部１０（図２参照）から出力されるトルク指令に基づいて、燃料電池ＦＣおよび蓄電装置２０から出力される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を走行モータ２２に供給する。

前記走行モータ２２は、例えば永久磁石式の３相交流同期モータであり、燃料電池ＦＣおよび／または蓄電装置２０から供給される電力により駆動輪Ｗ（図１参照）を回転駆動させる。

次に、本実施形態の燃料電池自動車の動作について、図３（ａ）および（ｂ）のフローチャートを中心に説明する。
まず、燃料電池自動車Ｖが通常運転されているときには、燃料電池ＦＣに水素（Ｈ₂）と空気（Ａｉｒ）が供給されることにより、水素と、空気に含まれる酸素とが電気化学反応することにより発電が行われる。この電力は、走行モータ２２や、コンプレッサ３ａなどの補機類に供給され、また必要に応じて蓄電装置２０に蓄電される。また、車両１が急加速して燃料電池ＦＣからの電力だけでは不足する状態に陥ったときには、燃料電池ＦＣと蓄電装置２０の双方から走行モータ２２などに電力が供給される。なお、燃料電池自動車Ｖでは、イグニッションスイッチがオンのときは、走行中であっても停止中であっても、所定の間隔（通常のパージ頻度）でパージ処理が繰り返し実行されている。

そして、例えば、燃料電池自動車Ｖが信号待ちで一時的に停止した場合には、図３（ａ）のステップ（以下、「Ｓ」と略記する）１において、燃料電池自動車Ｖがアイドル停止の条件を満たすか否かを判断する。このアイドル停止の条件は、例えば、ブレーキペダルが踏まれて（ＢＫＳＷ−ＯＮ）、車両１が停止（車速ゼロ；ＶＳ＝０）し、アクセルがＯＦＦ（θｔｈ＝０）したときである。Ｓ１において、アイドル停止の条件を満たすと判断されると（Ｙｅｓ）、コンプレッサ３ａへの電力供給を停止し、あるいはコンプレッサ３ａへの電力供給を停止し、かつ、遮断弁２ｂを閉じることで、燃料電池ＦＣでの発電を停止させる。ただし、その他必要な補機類などへの電力は蓄電装置２０から供給する。

燃料電池ＦＣのアイドル停止中において、大きな電力が必要ないにも拘わらず消費電力の比較的大きなコンプレッサ３ａを通常の運転と同様な出力で駆動させると、電力が無駄になる。このため、アイドル停止の条件を満たす場合にコンプレッサ３ａへの電力供給を停止することにより、水素が無駄に消費されて発電効率が低下するのを防止することができる。

なお、燃料電池自動車Ｖがアイドル停止の条件を満たす場合とは、前記した状態に限定されず、高速道路などをクルーズモードで走行しているときであってもよい。この場合にも、燃料電池ＦＣでの発電を停止して、蓄電装置２０のみからの電力で走行させることができる。

Ｓ１において、アイドル停止の条件を満たす場合には（Ｙｅｓ）、アイドル停止期間に所定値を加算する（Ｓ２）。例えば、アイドル停止期間をｔとすれば、Ｓ２では、ｔ＝ｔ＋１として、アイドル停止期間をインクリメント（加算）する。アイドル停止が開始された直後であれば、アイドル停止期間はゼロであり、図３（ａ）のフローチャートが繰り返して実行されることでＳ２の処理が繰り返され、アイドル停止期間として設定される値が増加していく。そして、所定値が加算されたアイドル停止期間が所定値１を超えたか否かを判断する（Ｓ４）。なお、アイドル停止が開始された直後は、アイドル停止期間は所定値１を下回っているので（Ｎｏ）、Ｓ６に移行する。Ｓ６では、アイドル停止期間が所定値２を下回っているか否かを判断する。なお、アイドル停止が開始された直後は、アイドル停止期間は所定値２を下回っているので（Ｙｅｓ）、Ｓ７に移行する。Ｓ４において、アイドル停止期間が所定値１以下と判断されたということは、アイドル停止期間が短く、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１側には、固体高分子電解質膜ｍを透過してきた窒素の蓄積量が少ないと判断できるので、パージ頻度を通常に設定する（Ｓ７）。

一方、図３（ａ）に示す処理と並行して図３（ｂ）に示す処理が実行されており、Ｓ２１において、発電中であるか否かが判断される。前記した説明でアイドル停止の条件を満たしているので、発電中ではないと判断され（Ｎｏ）、パージ処理は実行しない。

このように、アイドル停止が開始された直後では、図３（ａ）に示す処理（Ｓ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７）と、図３（ｂ）に示す処理（Ｓ２１）とが繰り返される。その後、このような処理が繰り返されることにより、アイドル停止期間に設定される値が増加することで、Ｓ４において、アイドル停止期間が所定値１を超えたと判断される（Ｙｅｓ）。つまり、アイドル停止から長時間が経過して、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１に窒素が多量に蓄積していると判断できるので、Ｓ５において、パージ頻度を増やす設定を行う。なお、この場合も、前記と同様にアイドル停止の条件をまだ満たしているので、図３（ｂ）の処理ではパージ処理を実行しない。

その後、アイドル停止から復帰して、アイドル停止の条件を満たさなくなり、燃料電池ＦＣの発電が再開された場合には（Ｓ１，Ｎｏ）、Ｓ３において、アイドル停止期間から所定値を減算する。例えば、Ｓ３では、ｔ＝ｔ−１としてアイドル停止期間をデクリメント（減算）する。アイドル停止から復帰したことの判断材料としては、例えば、燃料電池自動車Ｖが停止状態から走行を再開するのであれば、燃料電池自動車Ｖのアクセルペダルが踏み込まれたときに（θｔｈ≠０）、発電中である旨のフラグを立てるようにしてもよい。Ｓ４において、アイドル停止からの復帰直後では、アイドル停止期間が所定値１を超えていると判断されるので、Ｓ５に移行し、パージ頻度の設定はそのまま増の状態を維持しておく。

そして、その後発電が継続されると（Ｓ１，Ｎｏ）、図３（ａ）のフローチャートは繰り返して実行されることから、アイドル停止期間に設定された所定値が徐々に減っていくので（Ｓ３）、Ｓ４における判断において、アイドル停止期間が所定値１以下となる（Ｎｏ）。しかし、Ｓ６の処理では、まだアイドル停止期間が所定値２以上であるので（Ｎｏ）、パージ頻度の設定は変更せず、つまり、増の設定のままとする。この場合には、Ｓ２１において、発電中であると判断されるので（Ｙｅｓ）、Ｓ２２に移行して、図３（ａ）の処理で設定されたパージ頻度、つまりパージ頻度を増した設定でパージ処理を実行する。

なお、ここでのパージ処理は、パージ弁５を開いて、高圧水素タンク２ａから水素を供給して、窒素などの不純物を水素とともにパージ弁５の下流側に排出する。パージ弁５から排出された窒素などを含む水素は、図示しない希釈器を介して、燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２側から排出された空気や水によって所定の水素濃度に希釈された後に、車両１の外部へと排出される。

燃料電池ＦＣの発電がさらに継続されると、Ｓ３でのアイドル停止期間に設定される所定値がさらに小さくなり、アイドル停止期間が所定値２よりも小さくなったと判断されるので（Ｓ６，Ｙｅｓ）、パージ頻度を通常の設定に戻す処理を行う（Ｓ７）。このときには、発電中であると判断されるので（Ｓ２１，Ｙｅｓ）、図３（ａ）の処理で設定されたパージ頻度、つまり、通常のパージ頻度の設定でパージ処理を実行する。

以上説明した実施形態では、図４の実施例１に示すように、アイドル停止期間がｔ１（所定値１）を超えたときに、パージ頻度を増に設定する処理が行われる。すなわち、図５（ｃ）に示すように、通常のパージ頻度で実行されていたものが、発電が再開された場合には、図５（ａ）に示すように、パージ頻度を増に設定したパージ処理が所定期間実行される。所定期間後は、パージ頻度を通常のパージ頻度に戻して通常のパージ処理が行われる。

このように、アイドル停止から復帰した後のパージ頻度を増やすことにより、アイドル停止期間が長期に及んだとしても、アノード極ｐ１の水素濃度を確実に回復させることができ、復帰後の発電性能を安定化させることができる。

また、図４の実施例２の線図に示すように、アイドル停止期間の長さに基いてパージ処理の頻度を可変としてもよい。アイドル停止期間ｔ２が実施例１よりも長期間に及ぶ場合には、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）の実施例１よりもパージ処理の頻度を多くすることができる。また、図示していないが、アイドル停止期間がｔ１よりも短い場合には、実施例１よりもパージ処理の頻度を少なくすることができる。このように、アイドル停止期間の長さに基づいてパージ頻度を変化させることによって、一層細かな水素濃度の回復処理を行うことが可能になる。つまり、アイドル停止期間が長くなる場合には、パージ頻度を増して、アノード極ｐ１の水素濃度を確実に回復させることができ、また、アイドル停止期間が短い場合には、パージ頻度を少なくして、無駄にパージ処理が実行されるのを防止できる。

ところで、図８に示すように、膜（ＭＥＡ）は、その湿度が増加することによってカソード極ｐ２からアノード極ｐ１に透過する窒素量も増加することが知られている。このように窒素透過量が大きくなるのは、膜の湿度の増加によって膜のポリマーが膨らみ、アノード極ｐ１とカソード極ｐ２との間の隙間が大きくなるからである。そこで、この点を考慮して、以下に示す処理に基づいてパージ頻度を補正してもよい。図６は、パージ頻度の補正処理を示すフローチャート、図７（ａ）はアイドル停止期間とパージ頻度との関係を示すマップ、（ｂ）はアノード出口ガス温度とＭＥＡ含水量との関係を示すマップ、（ｃ）はカソード出口ガス温度とＭＥＡ含水量との関係を示すマップ、（ｄ）はＭＥＡ含水量と補正係数との関係を示すマップである。

図６に示すように、まず、図７（ａ）のマップに基づいてアイドル停止期間からパージ頻度Ａを計算する（Ｓ１００）。なお、このパージ頻度Ａは、アイドル停止期間に基づいて数値化したものである。

そして、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１側の出口から排出されるガス温度から、図７（ｂ）のマップに基づいてＭＥＡ含水量Ｂを計算し（Ｓ１０１）、また、カソード極ｐ２側から排出されるガス温度から、図７（ｃ）のマップに基づいてＭＥＡ含水量Ｃを計算する（Ｓ１０２）。なお、アノード出口ガス温度は、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１の出口側のアノードオフガス配管２ｄに設けられた温度センサ（図示せず）によって、カソード出口ガス温度は、カソード極ｐ２の出口側のカソードオフガス配管３ｃに設けられた温度センサ（図示せず）によってそれぞれ検知される。そして、含水量Ｂが含水量Ｃよりも多いか否かを判断して（Ｓ１０３）、含水量Ｂが含水量Ｃよりも多い場合には（Ｙｅｓ）、ＭＥＡ含水量として含水量Ｂを設定し（Ｓ１０４）、含水量Ｃが含水量Ｂ以上である場合には（Ｎｏ）、ＭＥＡ含水量として含水量Ｃを設定する（Ｓ１０５）。すなわち、Ｓ１０１〜Ｓ１０５の処理では、含水量の大きい値が選択されるように制御される。

そして、前記Ｓ１０４またはＳ１０５で設定されたＭＥＡ含水量から、図７（ｄ）のマップに基づいてパージ頻度の補正係数Ｄを計算（Ｓ１０６）し、パージ頻度Ｅ＝Ａ×Ｄの式から、前記パージ頻度Ａに補正係数Ｄを積算することによりパージ頻度Ｅを計算する（Ｓ１０７）。

そして、通常時のパージ頻度Ｆを計算し（Ｓ１０８）、パージ頻度Ｅがパージ頻度Ｆよりも大きいか否かを判断する（Ｓ１０９）。なお、このパージ頻度Ｆは、図７（ａ）と同様なマップから、アイドル停止期間に基づいて算出される。パージ頻度Ｅがパージ頻度Ｆよりも大きい場合には（Ｓ１０９、Ｙｅｓ）、パージ頻度をＥに設定つまりパージ頻度を増に設定し（Ｓ１１０）、またパージ頻度Ｆがパージ頻度Ｅ以上である場合には（Ｓ１０９、Ｎｏ）、パージ頻度をＦに設定つまりパージ頻度を通常に設定する（Ｓ１１１）。すなわち、Ｓ１０８〜Ｓ１１１の処理では、パージ頻度の大きい値が選択されるように制御される。

このように、膜の湿度に基づく窒素透過量を考慮してパージ頻度を補正することにより、より高精度なパージ処理の制御が可能になる。

次に、本実施形態の燃料電池自動車における別のパージ制御について、図９および図１０を参照して説明する。図９（ａ）はパージ頻度設定の処理を示すフローチャート、（ｂ）はパージ実行可否の別の処理を示すフローチャート、図１０はアイドル停止から復帰後のパージ処理を示すタイムチャートであり、（ａ）は初回のパージ時間を長く設定したパージ処理、（ｂ）は通常のパージ処理を示すタイムチャートである。図９（ａ）は、図３（ａ）と同じであり、図９（ｂ）は、図３（ｂ）のＳ２２に代えてＳ２３ないしＳ２６を設けたものである。なお、以下の説明では、アイドル停止の条件を満たしている場合の処理は図３（ａ），（ｂ）と同様であるのでその説明を省略し、パージ頻度を増す設定が行われた状態でアイドル停止から復帰した直後の処理から説明する。

すなわち、燃料電池ＦＣが発電中であると判断された場合には（Ｓ２１，Ｙｅｓ）、Ｓ２３において、初回のパージであるか否かが判断される。この場合には、アイドル停止から復帰した直後であるので、初回のパージであると判断され（Ｓ２３，Ｙｅｓ）、初回のパージ時間を増に設定する処理が行われる（Ｓ２４）。そして、Ｓ２６において、図９（ａ）の処理で設定されたパージ頻度、つまり、パージ頻度を増した設定に基づいてパージ処理が実行される。

そして、同様にして、図９（ａ）のＳ１，Ｓ３，Ｓ４およびＳ５、および図９（ｂ）のＳ２１を経ると、Ｓ２３では初回のパージ処理ではないと判断されるので（Ｎｏ，２回目以降）、パージ時間を通常の時間に戻す処理を行い（Ｓ２５）、図９（ａ）の処理で設定されたパージ頻度に基づいてパージ処理を実行する（Ｓ２６）。すなわち、図１０（ａ）の実施例３に示すように、パージ頻度を増したパージ処理が実行されるが、その初回のパージ処理のみパージ時間を長くし、２回目以降の１回毎のパージ時間を通常に戻す。また、その後発電が継続されて、アイドル停止期間に設定された値が所定値２よりも小さくなった場合、つまり、所定期間が経過した場合には、パージ頻度を図１０（ｂ）と同様な通常のパージ頻度に戻す。

このように、初回のパージ時間を２回目以降よりも長く設定することで、アイドル停止から復帰後のアノード極ｐ１の水素濃度を迅速に回復することが可能になり、発電性能を安定化できる。

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、図５（ｃ）や図１０（ｂ）に示す通常のパージ処理における初回のパージ処理の時間を長く設定するようにしてもよい。また、前記した実施形態では、燃料電池移動体として、車両を例に挙げて説明したが、船舶や航空機などに適用することもできる。

本実施形態の燃料電池自動車の電力系を示す図である。 燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムを示す構成図である。 （ａ）はパージ頻度設定の処理を示すフローチャート、（ｂ）はパージ実行可否の処理を示すフローチャートである。 アイドル停止期間とパージ頻度との関係を示すグラフである。 アイドル停止から復帰後のパージ処理を示すタイムチャートであり、（ａ）は図４の実施例１のグラフに基づくパージ処理、（ｂ）は図４の実施例２のグラフに基づくパージ処理、（ｃ）は図４の通常のグラフに基づくパージ処理である。 パージ頻度の補正処理を示すフローチャートである。 （ａ）はアイドル停止期間とパージ頻度との関係を示すマップ、（ｂ）はアノード出口ガス温度とＭＥＡ含水量との関係を示すマップ、（ｃ）はカソード出口ガス温度とＭＥＡ含水量との関係を示すマップ、（ｄ）はＭＥＡ含水量と補正係数との関係を示すマップである。 膜の湿度と窒素透過量との関係を示すグラフである。 （ａ）はパージ頻度設定の処理を示すフローチャート、（ｂ）はパージ実行可否の別の処理を示すフローチャートである。 アイドル停止から復帰後のパージ処理を示すタイムチャートであり、（ａ）は初回のパージ時間を長く設定したパージ処理、（ｂ）は通常のパージ処理である。

符号の説明

１ 車両
２ａ 高圧水素タンク
３ａ コンプレッサ
４ ガス循環手段
５ パージ弁
１０ 制御部（アイドル停止手段、アイドル停止期間把握手段、燃料ガス濃度回復手段、アイドル復帰判定手段、制御手段）
２０ 蓄電装置
２２ 走行モータ
ＦＣ 燃料電池
Ｖ 燃料電池自動車（燃料電池移動体）

Claims (8)

1. 膜電極構造体を備えた単セルが複数枚積層されて構成され、前記膜電極構造体のアノード極に供給される燃料ガスと、カソード極に供給される酸化剤とを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを前記燃料電池に戻して循環させるガス循環手段と、
   前記燃料電池に供給された前記燃料ガスを外部に排出するパージ弁と、
   アイドル停止の条件を満たすときに前記燃料電池をアイドル停止させるアイドル停止手段と、
   前記燃料電池のアイドル停止期間を算出するアイドル停止期間把握手段と、
   アイドル停止からの復帰を判断するアイドル復帰判定手段と、
   前記アイドル復帰判定手段がアイドル停止から復帰したと判断したときに、前記アイドル停止期間に基づいて前記パージ弁によるパージ処理の頻度を変更して前記燃料電池に供給される燃料ガスの濃度の回復処理を行う燃料ガス濃度回復手段と、
   前記燃料電池のアノード極側のアノード出口ガス温度を検出するアノード出口ガス温度センサと、
   前記燃料電池のカソード極側のカソード出口ガス温度を検出するカソード出口ガス温度センサと、を備え、
   前記燃料ガス濃度回復手段は、前記アノード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量と、前記カソード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量とを比較して、多い方の前記含水量に基づいて前記パージ処理の頻度を補正することを特徴とする燃料電池移動体。
2. 前記燃料ガス濃度回復手段は、アイドル停止から復帰後の所定期間、通常運転時よりもパージ頻度を増やすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池移動体。
3. 前記アイドル停止期間に応じて前記パージ頻度を可変とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池移動体。
4. 前記燃料ガス濃度回復手段は、通常運転時よりも少なくとも初回のパージ時間を後のパージ時間よりも長く設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池移動体。
5. 膜電極構造体を備えた単セルが複数枚積層されて構成され、前記膜電極構造体のアノード極に供給される燃料ガスと、カソード極に供給される酸化剤とを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを再び前記燃料電池に戻すガス循環手段と、前記燃料電池に供給された前記燃料ガスを外部に排出するパージ弁と、制御手段と、を備え、アイドル停止の条件を満たすときに前記燃料電池をアイドル停止させ、アイドル停止から復帰したときにアイドル停止期間に基づいて前記パージ弁によるパージ処理の頻度を変更して前記燃料電池に供給される燃料ガスの濃度の回復処理を行う燃料電池移動体の制御方法であって、
   前記制御手段が、前記燃料電池のアノード極側のアノード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量と、前記燃料電池のカソード極側のカソード出口ガス温度から算出される前記膜電極構造体の含水量とを比較して、多い方の前記含水量に基づいて前記パージ処理の頻度を補正することを特徴とする燃料電池移動体の制御方法。
6. 前記制御手段が、アイドル停止からの復帰後の所定期間、通常運転時よりもパージ頻度を増すことによって、前記燃料ガスの濃度を回復させる処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池移動体の制御方法。
7. 前記制御手段が、前記アイドル停止期間に応じて前記パージ頻度を変化させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池移動体の制御方法。
8. 前記制御手段が、通常運転時よりも少なくとも初回のパージ時間を後のパージ時間よりも長くすることによって、前記燃料ガスの濃度を回復させる処理を行うことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池移動体の制御方法。

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