JP4877911B2 - 燃料電池車両及び燃料電池車両における蓄電素子への充電制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池と、この燃料電池の発電電力により充電され前記燃料電池の出力を補助可能なキャパシタ等の蓄電素子とを備える燃料電池車両及び燃料電池車両における前記蓄電素子への充電制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。生成された水は、電解質膜を通じてアノード電極側にも貯留される。

このような燃料電池において、燃料電池の停止時に、燃料電池のアノード電極側とカソード電極側に、前記エアコンプレッサから空気を掃気ガスとして供給し、前記生成水を外部に吹き飛ばして、氷点下等の低温時の次回の再起動に備えることが必要であり、停止時に、エアコンプレッサ等の補機を駆動するためのエネルギを蓄積しておくエネルギ蓄積手段が必要である。

また、燃料電池の起動時において、燃料電池の発電を開始させるためには、燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスを燃料電池に供給する必要があり、その起動時にも、反応ガス供給手段としてのエアコンプレッサ等の補機を駆動するためのエネルギを蓄積しておくエネルギ蓄積手段が必要である。

エネルギ蓄積手段として、鉛蓄電池、ニッケル水素２次電池、リチウムイオン２次電池等の２次電池を使用する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。

特開２００４−１４６０７５号公報

この特許文献１に係る燃料電池システムでは、システムの停止要求があったときに、次の再起動時に必要な２次電池の残容量（予想必要電力量）を決定し、この予想必要電力量と現在の残容量とを比較し、現在の残容量が予想必要電力量を下回っていた場合には、燃料電池の発電を継続して、２次電池の残容量が予想必要電力量となるまで充電した後、システムを停止させる。

ところで、エネルギ蓄積手段として、電気化学反応が必要な２次電池を使用する場合には、燃料電池の発電電力により２次電池を所望容量まで充電するのに時間がかかるという問題がある。そして、この充電中には、前記のエアコンプレッサが作動しているので、騒音が比較的に大きいという課題がある。

特に、燃料電池を搭載した車両において、運転者等の操作者がイグニッションスイッチ等をオン状態からオフ状態とするシステムの停止要求を行った後に、エアコンプレッサが長時間作動しているのでは、操作者に違和感を与える恐れがある。

そこで、この充電時間を短時間とするために、エネルギ蓄積手段として、キャパシタ（静電容量）を蓄電素子として使用することが考えられる。キャパシタは、燃料電池の発電電圧（Ｖ）とキャパシタの静電容量（Ｃ）で決定されるエネルギ｛（１／２）・ＣＶ²｝を短時間で充電することができる。

しかしながら、キャパシタを蓄電素子として使用した場合に、例えば、氷点下等の低温下起動時等には、燃料電池の発電電圧が低く、前記蓄電素子に所望量｛燃料電池車両の駆動用モータを有効にアシストして発進をスムーズにするために必要なエネルギ量、及び（又は）燃料電池の次回の再起動の際に反応ガス供給手段を駆動し燃料電池が発電を開始するまでに必要なエネルギ量等｝までのエネルギを蓄積することが困難になる場合があるということが分かった。

また、前記所望量を、キャパシタの目標の充電閾値電圧に設定した場合、発電電圧が前記充電閾値電圧より低い場合には、キャパシタに電荷が流入しない状態で、充電制御のタイムアウト時間まで、例えば、車両の発進を延々と待たされてしまうという不都合もある。

この発明は、上記した種々の課題を考慮してなされたものであって、燃料電池の発電電圧が低い場合であっても、キャパシタ等の蓄電素子への充電制御を効率よく、効果的に行うことを可能とする燃料電池車両及び燃料電池車両における蓄電素子への充電制御方法を提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る燃料電池車両１２は、反応ガスの供給により発電を行う燃料電池１４を備える燃料電池車両において、前記燃料電池の発電電力により充電が可能な蓄電素子１６と、前記燃料電池又は前記蓄電素子の少なくとも一方の電気的変化量を検知する電気的変化量検知手段３０と、前記蓄電素子に対する充電を制御する充電制御手段３０と、を備え、前記充電制御手段は、前記燃料電池車両の起動時（ステップＳ１：ＹＥＳ）又は停止時（ステップＳ３：ＹＥＳ）に、前記蓄電素子の残容量が所定残容量（Ｗｔｈ）未満のとき（ステップＳ４：ＮＯ、ステップＳ７：ＮＯ）、前記燃料電池から前記蓄電素子に対して充電を行い（ステップＳ５ａ）、その充電中に、前記電気的変化量検知手段により検知された前記電気的変化量が所定値以下となったとき（ステップＳ５ｃ：ＹＥＳ）に、前記蓄電素子への充電が完了したとみなして前記蓄電素子に対する充電を終了する（ステップＳ５ｄ）ことを特徴とする。

この発明によれば、充電制御手段は、燃料電池の発電電力により蓄電素子に対して充電を行う際に、前記電気的変化量が所定値以下となったときに、前記蓄電素子への充電を停止するようにしているので、充電時間がいたずらに長時間になることを未然に回避できる。これにより、充電制御を効率よく、かつ効果的に行うことができる。

この場合、電気的変化量が所定値以下の判断は、蓄電素子の残容量の変化量ΔＷｃ／ΔＴｃが所定値以下、もしくは燃料電池の発電電圧と蓄電素子の端子間電圧との差が所定値以下、又は蓄電素子への流入電流もしくは燃料電池の発電電流量の変化量が所定値以下となったときとして、充電を停止することができる。

この発明に係る燃料電池車両１２における蓄電素子１６への充電制御方法は、反応ガスの供給により発電を行う燃料電池１４と、前記燃料電池の発電電力により充電が可能な蓄電素子１６と、を備える燃料電池車両における前記蓄電素子への充電制御方法であって、前記燃料電池車両は、前記燃料電池又は前記蓄電素子の少なくとも一方の電気的変化量を検知する電気的変化量検知手段３０と、前記蓄電素子に対する充電を制御する充電制御手段３０と、を備え、前記充電制御手段は、前記燃料電池車両の起動時（ステップＳ１：ＹＥＳ）又は停止時（ステップＳ３：ＹＥＳ）に、前記蓄電素子の残容量が所定残容量（Ｗｔｈ）未満のとき（ステップＳ４：ＮＯ、又はステップＳ７：ＮＯ）、前記燃料電池から前記蓄電素子に対して充電を行い（ステップＳ５ａ）、その充電中に、前記電気的変化量検出手段により前記電気的変化量を検知するステップ（ステップＳ５ｃ）と、検知した前記電気的変化量が所定値以下となったとき（ステップＳ５ｃ：ＹＥＳ）に、前記蓄電素子への充電が完了したとみなして前記蓄電素子に対する充電を終了するステップ（ステップＳ５ｄ）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、蓄電素子への充電を停止するステップにおいて、充電制御手段が、燃料電池の発電電力により蓄電素子に対して充電を行う際に、電気的変化量が所定値以下となったときに、前記蓄電素子への充電を停止するようにしているので、充電時間がいたずらに長時間になることを未然に回避できる。これにより、充電制御を効率よく、かつ効果的に行うことができる。

この場合にも、電気的変化量が所定値以下の判断は、蓄電素子の残容量の変化量が所定値以下、もしくは燃料電池の発電電圧と、蓄電素子の端子間電圧との差が所定値以下、又は蓄電素子への流入電流の変化量もしくは燃料電池の発電電流の変化量が所定値以下となったときとして、充電を停止することができる。

なお、キャパシタ等の蓄電素子への充電は、２次電池のように電気化学反応を利用せず、電荷の移動であるので、充電を短時間で終了させることができる。

この発明によれば、燃料電池の発電特性が所定発電特性を下回ったときの蓄電素子に対する充電の際、燃料電池又は蓄電素子の少なくとも一方の電気的変化量を検知して充電を停止するようにしているので、例えば、蓄電素子に電荷が流入しない状態で、充電制御のタイムアウト時間まで、燃料電池車両の発進等が延々と待たされてしまうという不都合を回避できる。

そして、この発明によれば、燃料電池の発電特性が低下している場合であっても、キャパシタ等の蓄電素子への充電制御を効率よく、効果的に行うことができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を備える燃料電池車両１２の概略構成図である。

この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４の発電電力等により充電される蓄電素子であるキャパシタ１６と、エアコンプレッサ２０等の補機とから構成される燃料電池システム１０と、走行用の駆動用モータ１８とを備える。

燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持する燃料電池セルを、複数積層させて一体化させた構造となっている。

燃料電池１４のアノード電極には、高圧の水素タンク１５が接続され、水素タンク１５からアノード電極に、一方の反応ガスであって燃料ガスである水素が供給される。また、燃料電池１４のカソード電極にはエアコンプレッサ２０が接続されており、エアコンプレッサ２０からカソード電極に、他方の反応ガスであって酸化剤ガスである空気（酸素）が供給される。

アノード電極の反応面に水素が供給されると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に生じた電子が電流として電流制限装置２２側に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。

燃料電池１４には、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆｃ及び発電電流Ｉｆｃを検出する電圧・電流センサ２１を通じて電流制限装置２２が接続されている。

電流制限装置２２は、電圧・電流センサ２６を通じてキャパシタ１６に接続されるとともに、駆動用モータ１８、エアコンプレッサ２０、エアコンプレッサ２０以外の他の補機（車両１２に搭載されたエアコンディショナやヘッドランプなど）にも接続され、燃料電池１４からの出力を必要に応じて制限してこれらの機器１６、１８、２０に供給する。

なお、電圧・電流センサ２６は、キャパシタ１６の端子電圧Ｖｃを検出するとともにキャパシタ１６に対して流入出される電流Ｉｃを検出する。

電流制限装置２２は、出力側、例えばキャパシタ１６側から入力側、すなわち燃料電池１４側への電流の逆流を防止する機能を有するとともに、燃料電池１４から出力される方向に電流の通流が可能なダウンコンバータ（不図示）を含み、開閉器（スイッチ）としても機能する。

燃料電池１４とキャパシタ１６との間に、電圧・電流センサ２１、電流制限装置２２、電圧・電流センサ２６、及び電力線が接続されているが、これらの電気部材による電圧降下は、数ボルト以内の電圧であり、したがって、燃料電池１４とキャパシタ１６とが電気的に接続されているときは、実質的に燃料電池１４とキャパシタ１６とは直接的に接続（直結）されているとみなすことができる。また、電流制限装置２２は、燃料電池１４が不調のときには、出力を制限するために、上記開閉器としての機能により、接続（直結）を切り離すことができる。

キャパシタ１６は、例えば電気二重層コンデンサとされ、燃料電池１４の発電電力で充電されるとともに、キャパシタ１６が蓄えた電力（エネルギ）を駆動用モータ１８やエアコンプレッサ２０等の補機に供給して燃料電池１４の発電を補助する機能も備えている。なお、キャパシタ１６は、電荷蓄積素子であり、エネルギ蓄積量は、最大限、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆｃまで充電され、その場合のエネルギ蓄積量、すなわち残容量は、上述した（１／２）Ｃ・Ｖｆｃ²となる。

燃料電池１４及びキャパシタ１６に接続された駆動用モータ１８は、この燃料電池１４やキャパシタ１６から供給された電力を駆動力としている。この駆動力は、リダクション或いはトランスミッションを介して駆動輪に伝達され、これにより、燃料電池車両１２が走行する。

また、燃料電池車両１２の減速時に駆動輪から駆動用モータ１８に駆動力が伝達されると、駆動用モータ１８は発電機として機能し、いわゆる回生制動力を発生する。これにより、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することができ、キャパシタ１６に電気エネルギーが蓄電される。

燃料電池１４、電流制限装置２２、駆動用モータ１８、エアコンプレッサ２０には制御装置３０が接続されている。

制御装置３０は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速Ｖｃなどから必要電力を算出して、この算出した電力に基づいて燃料電池１４や電流制限装置２２、駆動用モータ１８、エアコンプレッサ２０にそれぞれ制御信号を指令として送信する。また、制御装置３０は、イグニッションスイッチ３２からのイグニッション信号（オン信号とオフ信号）Ｉｇに応じて、燃料電池システム１０を起動させ、また停止させる。

制御装置３０により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の全ての動作が制御される。

制御装置３０は、コンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段（機能実現手段）としても動作する。この実施形態において、制御装置３０は、燃料電池１４の発電特性を検知する発電特性検知手段、燃料電池１４又はキャパシタ１６の少なくとも一方の電気的変化量を検出する電気的変化量検知手段、キャパシタ１６に対する充電を制御する充電制御手段の他、低温時一時起動後停止判定手段、キャパシタ残容量検出（算出）手段、計時手段（カウンタ・タイマ）等として機能する。

なお、図１において、太い実線は電力線を示している。

この実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２は、基本的には、以上のように構成され動作する。

次に、制御装置３０によるキャパシタ１６の充電制御動作について、図２のフローチャートを参照しながら、Ａ．イグニッション信号Ｉｇのオフ信号からオン信号への遷移時、すなわち起動時（始動時）、又は通常発電運転時の充電制御、Ｂ．イグニッション信号Ｉｇのオン信号からオフ信号への遷移時、すなわち停止時（システム停止時）の充電制御について説明する。

Ａ．イグニッション信号Ｉｇのオフ信号からオン信号への遷移時、すなわち起動時（始動時）、又は通常発電運転時の充電制御
ステップＳ１において、操作者のイグニッションスイッチ３２のオフからオンへの操作によりイグニッションスイッチ３２から出力されるイグニッション信号Ｉｇがオフ信号からオン信号に切り替わると、ステップＳ２において、燃料電池１４に対して、水素タンク１５から水素ガスが供給されるとともに、エアコンプレッサ２０が駆動されて空気が供給され、両反応ガスの供給により燃料電池１４の発電が行われる。

次いで、ステップＳ３において、イグニッション信号Ｉｇがオン信号からオフ信号に切り替わったかどうかが監視され、オン信号のままであるとき、ステップＳ４において、キャパシタ１６の残容量（エネルギ・電力量）Ｗｃが所定残容量（閾値）Ｗｔｈ以上であるかどうかを検知し、キャパシタ１６の充電の必要性を判断する。

キャパシタ１６の残容量（エネルギ・電力量）Ｗｃは、上述したように、キャパシタ１６に対して電流Ｉｃが入出力していないときのキャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏと静電容量Ｃとから、次の（１）式で求められる。

Ｗｃ＝（１／２）Ｃ・Ｖｃｏ² …（１）
すなわち、キャパシタ１６の残容量Ｗｃは、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏを測定することで、制御装置３０により、上記（１）式を用いて簡単に算出することができる。なお、開放端子間電圧Ｖｃｏは、キャパシタ１６に対して電流が流入出していない状態で測定することができる。

そこで、ステップＳ４における「残容量Ｗｃ≧所定残容量Ｗｔｈ」の判断は、残容量Ｗｃに対応する現在の開放端子間電圧Ｖｃｏが、所定残容量Ｗｔｈに対応する開放端子間電圧（閾値電圧）Ｖｔｈ以上かどうかで判定される（Ｖｃｏ≧Ｖｔｈ）。

そこで、ステップＳ４では、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏが、電圧・電流センサ２６を通じて測定され、測定された開放端子間電圧Ｖｃｏが、閾値電圧Ｖｔｈ以上であるかどうかを判断する。

イグニッションスイッチ３２をオフからオンに切り替えたときの閾値電圧Ｖｔｈは、換言すれば、ステップＳ１の判断が成立した場合の閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池車両１２の発進時の円滑な加速性能を確保するために、キャパシタ１６の蓄積エネルギにより駆動用モータ１８をアシストするのに十分なエネルギに対応した値に設定される。

ステップＳ４の判断において、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏが、この閾値電圧Ｖｔｈ以上の値であった場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ６の次の処理として、イグニッションスイッチ３２のオン時には、駆動用モータ１８が、燃料電池１４の発電電力とキャパシタ１６の蓄積電力の合成電力によって駆動され、円滑に加速されて走行が開始される。

その一方、ステップＳ４の判断において、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏが閾値電圧Ｖｔｈを下回っている場合には（Ｖｃｏ≦Ｖｔｈ）、すなわち、キャパシタ残容量Ｗｃが所定残容量Ｗｔｈ以下の場合には、ステップＳ５のキャパシタ充電処理が行われる。

ステップＳ５のキャパシタ充電処理では、まず、ステップＳ５ａにおいて、燃料電池１４の発電電力によりキャパシタ１６に対する充電が開始される。このとき、充電時間タイマ（充電時間計時手段）の計時が開始される。

次いで、ステップＳ５ｂにおいて、充電時間タイマの計時時間Ｔｃ、すなわち充電時間Ｔｃが所定時間Ｔｔｈ以上の時間になったかどうかが判定される（Ｔｃ≧Ｔｔｈ）。なお、この所定時間Ｔｔｈは、燃料電池車両１２の商品性を損なうと判断されるタイムアウト時間（限界時間）よりも短い時間に設定される。

充電時間Ｔｃが所定時間Ｔｔｈ未満であった場合には、ステップＳ５ｃにおいて、燃料電池１４又はキャパシタ１６の少なくとも一方の所定の電気的変化量を検知し、検知した電気的変化量が所定値以下であるかどうかが判定される。

ステップＳ５ｂの充電時間監視処理、及びステップＳ５ｃの電気的変化量の監視処理を行う理由は、燃料電池１４の現在（充電時）の発電特性（電流・電圧特性、ＩＶ特性）上、発電電圧Ｖｆｃが、閾値電圧Ｖｔｈより低い場合があることを考慮したためである。

発電特性は、現在の充電時に、燃料電池１４から取り出されている発電電流Ｉｆｃと発電電圧Ｖｆｃを測定することで検知することができる。例えば、電流制限装置２２で電流値を何段階か、変化させることで、発電電流Ｉｆｃに対する発電電圧Ｖｆｃをプロットすることで図３に示す発電特性５１、５２等を検知乃至推定することができる。

図３に示すように、発電特性は、燃料電池１４が通常状態で動作しているときの、通常発電特性５１と、氷点下等の低温時起動時あるいは燃料電池１４が経年劣化等の劣化したときの通常発電特性５１を下回る、例として描いている、低下発電特性５２とがある。すなわち、低下発電特性５２は、通常発電特性５１を下回る領域の特性である。

ここで、充電時における発電電流Ｉｆｃを、図３に示す発電電流Ｉｆｃａであるとすると、通常発電特性５１で燃料電池１４が動作している場合には、発電電流Ｉｆｃａに対応する発電電圧Ｖｆｃは、発電電圧Ｖｆｃ＝Ｖｆｃ１であるので、充電の閾値電圧Ｖｔｈを上回っており（Ｖｆｃ１≧Ｖｔｈ）、キャパシタ１６は、短時間で、所定残容量Ｗｔｈ｛＝（１／２）ＣＶｔｈ²）まで充電され、上述した円滑な加速度での発進処理等のステップＳ６の次の処理に迅速に移行することができる。

しかし、発電特性が低下発電特性５２で燃料電池１４が動作している場合には、発電電圧Ｖｆｃは、図３に示すように、閾値電圧Ｖｔｈより低い発電電圧Ｖｆｃ＝Ｖｆｃ２となっているので長い時間をかけても所定残容量Ｗｔｈ｛＝（１／２）ＣＶｔｈ²）までキャパシタ１６を充電することができない。

そこで、所定時間Ｔｔｈを超えても（ステップＳ５ｂ：ＹＥＳ）、ステップＳ４の判定が成立しない場合、すなわち残容量Ｗｃが所定残容量Ｗｔｈにならない場合には、ステップＳ５ｄにおいて充電完了したとみなして（みなし充電完了）ステップＳ５のキャパシタ充電処理を終了し、ステップＳ６の次の処理に移行する。

ここで、ステップＳ６の処理が燃料電池車両１２の発進処理である場合、キャパシタ１６が所定残容量Ｗｔｈまで充電されているときに比較して発進時の加速性能は低下するが、発進させることを優先させることができる。この後、燃料電池１４は、発電を継続するので、劣化していない限り、通常発電特性５１にもどる。

したがって、ステップＳ５ｂにおける所定時間Ｔｔｈ、上記例では、イグニッションスイッチ３２をオン操作としてから燃料電池車両１２が発進を開始するまでの時間や、次に説明するステップＳ５ｃにおける電気的変化量の所定値は、商品性が許される範囲の値に設定する。この場合、所定時間Ｔｔｈや電気的変化量の所定値は可変できるようにしてもよい。

ステップＳ５ｃの電気的変化量の所定値として、換言すれば、ステップＳ５ｄでのみなし充電完了と判断するための所定値を、図４を参照して説明する、この図４例では、キャパシタ残容量Ｗｃの変化量が所定値（所定残容量変化量）以下となったかどうかにより判定する。

図４は、通常発電特性５１下におけるキャパシタ残容量時間変化特性６１と、上述した低下発電特性５２下におけるキャパシタ残容量時間変化特性６２を示している。

通常発電特性５１下におけるキャパシタ残容量時間変化特性６１では、充電開始時点Ｔ０から、キャパシタ残容量変化量ΔＷｃ／ΔＴｃは、所定時間Ｔｔｈを超えてもなお増加する特性を示しているが、低下発電特性５２下におけるキャパシタ残容量時間変化特性６２は、所定時間Ｔｔｈを超えるとほとんど変化していないことが分かる（ΔＷｃ／ΔＴｃ≒０）。そして、通常発電特性５１下での充電では、所定時間Ｔｔｈより短い時点Ｔ１において、キャパシタ残容量Ｗｃが所定残容量Ｗｔｈまで充電されることが分かる（ステップＳ５ｃ：ＮＯ→ステップＳ４：ＹＥＳ）。

そこで、キャパシタ残容量変化量ΔＷｃ／ΔＴｃの閾値（所定値）は、ゼロ値より僅かに大きい値に設定しておけばよい。

ステップＳ５ｃの電気的変化量の他の所定値として、換言すれば、ステップＳ５ｄでみなし充電完了と判断するための他の所定値を図５を参照して説明する、この図５例では、キャパシタ１６へ流入するキャパシタ電流Ｉｃの変化量が所定値（所定電流変化量）以下となったかどうかにより判定する。

図５は、通常発電特性５１下における充電電流であるキャパシタ電流時間変化特性７１と、上述した低下発電特性５２下におけるキャパシタ電流時間変化特性７２を示している。

通常発電特性５１下におけるキャパシタ電流時間変化特性７１では、充電開始時点Ｔ０から、変化量ΔＩｃ／ΔＴｃは、所定時間Ｔｔｈを超えても一定以上の値を保持しているが、低下発電特性５２下におけるキャパシタ残容量時間変化特性６２では、所定時間Ｔｔｈを超えるとほとんどゼロ値となり変化していないことが分かる（ΔＩｃ／ΔＴｃ≒０）。

そして、通常発電特性５１下での充電では、ステップＳ５ｂの所定時間Ｔｔｈより短い時点Ｔ１において、キャパシタ残容量Ｗｃが所定残容量Ｗｔｈになると推定することができる（ステップＳ５ｃ：ＮＯ→ステップＳ４：ＹＥＳ）。

この場合においても、キャパシタ残容量変化量ΔＷｃ／ΔＴｃの閾値は、ゼロ値より僅かに大きい値に設定しておけばよい。

ステップＳ５ｃの電気的変化量のさらに他の所定値として、換言すれば、ステップＳ５ｄでみなし充電完了と判断するための他の所定値として、上述した残容量変化量ΔＷｃ／ΔＴｃ、キャパシタ電流変化量ΔＩｃ／ΔＴｃの他、充電開始後の、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆｃと、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏとの電圧差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｆｃ−Ｖｃｏ）とすることもできる。キャパシタ１６への充電が完了すると、電圧差ΔＶは、上述した、電圧降下分となる。直結と考えれば、ゼロ値になる。

発電特性が通常発電特性５１（図３参照）、又は低下発電特性５２のいずれの場合であっても、充電開始後に、直ちに、キャパシタ開放端子間電圧Ｖｃｏは、燃料電池の発電電圧Ｖｆｃと略等しくなるので、換言すれば、電圧・電流センサ２１と電流制限装置２２と電圧・電流センサ２６のオフセット電圧値（上記した電圧降下分）を合計した僅かな電圧降下（ΔＶｏｆｆｓｅｔとする。）分にキャパシタ開放端子間電圧Ｖｃｏを加えた値（Ｖｃｏ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ）が発電電圧Ｖｆｃに等しくなるので（Ｖｆｃ＝Ｖｃｏ＋ΔＶｏｆｆｓｅｔ）、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆｃと、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏとの電圧差ΔＶが、この電圧降下ΔＶｏｆｆｓｅｔに近い所定値以下となったときに、ステップＳ５ｃの判断が成立する所定値に決定すればよい。

ステップＳ５ｃの電気的変化量のさらに他の所定値として、燃料電池１４から出力される発電電流Ｉｆの電流変化としてもよい。

上述したキャパシタ１６の充電制御は、イグニッションスイッチ３２のオン時、換言すれば、イグニッション信号Ｉｇがオフ信号からオン信号へ変化する起動時の充電制御について説明したが、この充電制御は、起動時に限らず、起動後の発電運転時に、所定時間毎に、ステップＳ４の判断を行うことにより所定時間毎に実施することができる。

この場合、ステップＳ５のキャパシタ充電処理は、燃料電池車両１２が、例えば、燃料電池１４のアイドル状態（取り出し電流が少ないので、発電電圧Ｖｆｃが高い値になっている状態）で停止している（走行していない）ときに実行することが好ましい。また、加速や減速を行わない、発電電圧Ｖｆｃの比較的に高いクルーズ時等の定速走行状態時に行うことが好ましい。つまり、燃料電池車両１２のアイドル停止前等、燃料電池１４に対する燃料ガスの供給が停止される前に実施することが好ましい。

Ｂ．イグニッション信号Ｉｇのオン信号からオフ信号への遷移時、すなわち停止時（システム停止時）の充電制御について説明する。

ステップＳ３において、イグニッション信号Ｉｇのオン信号からオフ信号への遷移を検知したとき、ステップＳ７において、ステップＳ４と同様に、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏが電圧・電流センサ２６を通じて測定され、測定された開放端子間電圧Ｖｃｏが、閾値電圧Ｖｔｈ以下であるかどうかが判断されることでキャパシタ残容量Ｗｃが所定残容量Ｗｔｈ以上であるかどうかが判定される。

開放端子間電圧Ｖｃｏが、閾低電圧Ｖｔｈ以下であった場合には、ステップＳ５と同じフローでのキャパシタ１６に対する充電処理が行われるが、停止時における所定残容量Ｗｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈ）は、一般には、上述した起動時・運転時の所定残容量Ｗｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈ）とは異なる値（より大きな値）に設定される。停止時におけるキャパシタ１６に対する充電の所定残容量Ｗｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈ）は、燃料電池１４の次回の再起動に必要な十分なエネルギに応じた値に設定される。そして、さらに、停止時における所定残容量Ｗｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈ）は、外気温が、例えば、氷点下等の低温度になることが予測されるときには、常温時に比較して、さらに大きな所定残容量Ｗｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈ）に設定することが好ましい。

さらにまた、燃料電池１４が、氷点下等の低温時に、起動され（ステップＳ１：ＹＥＳ）てから、ステップＳ３でイグニッション信号Ｉｇがオフ信号とされるまでの時間が、きわめて短い時間であった場合には、換言すれば、燃料電池１４が暖機される前に、運転者の都合等によりイグニッションスイッチ３２がオフ状態にされた場合、このような、低温時一時起動後停止操作（例えば、氷点下起動後に発電短時間にてシステムを停止させる操作、換言すれば、氷点下でちょっと起動した後すぐに停止させる操作）をした場合には、固体高分子電解質膜の活性が十分になされないこと等を原因として、上述した掃気処理を長い時間行わないと燃料電池システムが不安定になる場合があるので、このような、低温時一時起動後停止操作がなされた場合には、さらにより高い所定残容量Ｗｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈ）に閾値を持ち替えて、キャパシタ１６への残容量（蓄積エネルギ）を大きくすることが好ましい。

開放端子間電圧Ｖｃｏが、このようにして決定された所定残容量Ｗｔｈに対応する閾値電圧Ｖｔｈまで充電されたとき、または、ステップＳ７の判定が肯定的で、キャパシタ１６の残容量Ｗｃが所定残容量Ｗｔｈ以上の残容量を蓄積保持していた場合には、ステップＳ８において、水素タンク１５の燃料供給弁を閉じる、エアコンプレッサ２０の動作を停止させる等のシステム停止処理を行う。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、充電制御手段としての制御装置３０は、燃料電池１４の発電電力（Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）により蓄電素子としてのキャパシタ１６に対して充電を行う際に、発電特性が、通常発電特性５１を下回る低下発電特性５２の領域にあった場合には、電気的変化量が所定値以下となったとき、具体的には、キャパシタ１６の残容量Ｗｃの変化量ΔＷｃ／ΔＴｃが所定値以下となった時点で充電完了とみなすようにする。

もしくは燃料電池１４の発電電圧Ｖｆｃと、キャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏとの差ΔＶ＝Ｖｆｃ−Ｖｃｏが所定値以下、換言すれば、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆｃとキャパシタ１６の開放端子間電圧Ｖｃｏとが略釣り合った時点で充電完了とみなすようにする。

又はキャパシタへの流入電流Ｉｃの変化量ΔＴｃ又は発電電流Ｉｆｃの変化量ΔＩｆｃ／ΔＴｃ、が所定値以下となった時点で充電完了とみなるようにする。

ただし、充電完了とみなす時点は、商品性、例えば、イグニッションスイッチ３２をオンしてから発進するまでの時間、あるいはイグニッションスイッチ３２をオフしてからエアコンプレッサ２０が停止する迄の時間等、操作者によって許容される所定時間Ｔｔｈ以内の時間とする。

上述したように、この実施形態では、イグニッションスイッチ３２をオフからオンにした起動直後のキャパシタ充電処理、イグニッションスイッチ３２をオンからオフにした停止時のキャパシタ充電処理、又は通常発電時におけるアイドル停止時やクルーズコントロール時に適用することができる。

さらにまた、上述した低温時一時起動後停止操作がなされた場合、あるいは燃料電池１４が劣化した場合にも、この充電制御を適用することができる。

以上のように、制御装置３０は、キャパシタ１６に対して充電する際、発電特性が所定条件である通常発電特性５１を下回っている低下発電特性５２になっていると判断した場合には、キャパシタ１６が閾値電圧Ｖｔｈまで充電されることがないので、商品性を考慮し、キャパシタ１６の残容量Ｗｃが所定値となった時点で充電完了とみなす。これにより、キャパシタ１６に電荷が流入しない状態で、充電制御のタイムアウト時間（前記所定時間Ｔｃより長い設定時間）まで延々と待たされてしまう不都合を回避でき、燃料電池車両１２の商品性を低下させることがない。

この発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。 図１例の燃料電池車両におけるキャパシタに対する制御装置による充電制御の動作説明に供されるフローチャートである。 発電特性の説明図である。 電気的変化量の一例の説明図である。 電気的変化量の他の例の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 １６…キャパシタ
１８…駆動用モータ ２０…エアコンプレッサ
２２…電流制限装置 ３０…制御装置
３２…イグニッションスイッチ

Claims (5)

1. 反応ガスの供給により発電を行う燃料電池を備える燃料電池車両において、
   前記燃料電池の発電電力により充電が可能な蓄電素子と、
   前記燃料電池又は前記蓄電素子の少なくとも一方の電気的変化量を検知する電気的変化量検知手段と、
   前記蓄電素子に対する充電を制御する充電制御手段と、を備え、
   前記充電制御手段は、前記燃料電池車両の起動時又は停止時に、前記蓄電素子の残容量が所定残容量未満のとき、前記燃料電池から前記蓄電素子に対して充電を行い、その充電中に、前記電気的変化量検知手段により検知された前記電気的変化量が所定値以下となったときに、前記蓄電素子への充電が完了したとみなして前記蓄電素子に対する充電を終了する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記電気的変化量検知手段は、前記蓄電素子の残容量の変化量を、前記電気的変化量として検知する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記電気的変化量検知手段は、前記燃料電池の発電電圧と、前記蓄電素子の端子間電圧との差を、前記電気的変化量として検知する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記電気的変化量検知手段は、前記蓄電素子への流入電流の変化量又は前記燃料電池の発電電流の変化量を、前記電気的変化量として検知する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
5. 反応ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電電力により充電が可能な蓄電素子と、を備える燃料電池車両における前記蓄電素子への充電制御方法であって、
   前記燃料電池車両は、前記燃料電池又は前記蓄電素子の少なくとも一方の電気的変化量を検知する電気的変化量検知手段と、前記蓄電素子に対する充電を制御する充電制御手段と、を備え、
   前記充電制御手段は、
   前記燃料電池車両の起動時又は停止時に、前記蓄電素子の残容量が所定残容量未満のとき、前記燃料電池から前記蓄電素子に対して充電を行い、その充電中に、前記電気的変化量検出手段により前記電気的変化量を検知するステップと、
   検知した前記電気的変化量が所定値以下となったときに、前記蓄電素子への充電が完了したとみなして前記蓄電素子に対する充電を終了するステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池車両における蓄電素子への充電制御方法。

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