JP4904719B2

JP4904719B2 - 燃料電池システム、その制御方法及びそれを搭載した車両

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Publication number: JP4904719B2
Application number: JP2005152228A
Authority: JP
Inventors: 雅裕繁
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006331774A

Description

本発明は、燃料電池システム、その制御方法及びそれを搭載した車両に関する。

従来、燃料電池システムとしては、燃料電池の発電運転の停止が解除されたときにスムーズに燃料電池の発電運転を再開するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載されたシステムは、発電効率が低い運転条件であるときには燃料電池の発電運転を停止し、この発電運転の停止中に燃料ガス及び酸化ガスの圧力低下の有無又は燃料電池の電圧低下の有無を検出し、これらの圧力低下や電圧低下があったときには発電の運転停止中であっても燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池に供給する。また、ブレーキペダルの踏み込み量やシフト位置の変化の有無などにより要求電力が増加すると推測されたときには発電の運転停止中であっても燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池に供給する。このように、燃料電池の発電効率が低いときには発電運転を停止することによって燃費を向上し、燃料電池の停止中に燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池に供給することによって停止中の燃料電池の状態を発電しやすい状態に維持する。
特開２００４−１７２０２８号公報

ここで、発電運転の停止中の燃料ガス及び酸化ガスの圧力低下や燃料電池の電圧低下は、例えば燃料ガスと酸化ガスとの反応や微少量のリークなどにより燃料電池の発電能力の高低にかかわらずに起きることがある。しかしながら、この特許文献１に記載された燃料電池システムでは、運転停止中の燃料電池の状態が通常の状態であっても、運転停止中の燃料電池の状態が発電能力の低下した状態であっても、同じ条件で燃料ガス及び酸化ガスの供給処理を実行していた。つまり、燃料電池の発電の運転停止中の発電能力については考慮されていなかった。このため、燃料電池の発電の運転停止中に発電能力が低下しているときには必ずしも安定した状態で燃料電池を再始動することができなかった。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる燃料電池システム、その制御方法を提供することを目的の一つとする。また、そのような燃料電池システムを搭載した車両を提供することを目的の一つとする。

本発明は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

即ち本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電能力が低下しているか否かを判定する判定手段と、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池を再始動する前に該燃料電池を発電しやすい状態になるよう前処理を実行し該前処理を実行したあと前記燃料電池が再始動するよう制御する制御手段と、
を備えたものである。

この燃料電池システムは、停止条件の成立後に燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、燃料電池を再始動する前に該燃料電池が発電しやすい状態になるよう前処理を実行することにより、十分燃料電池を発電しやすい状態にしてから燃料電池を再始動するよう制御する。したがって、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。ここで、「発電能力が低下した状態」とは、燃料電池の発電運転などにより発電能力が回復可能な状態をいい、燃料電池が損傷するなどして発電能力が回復不能な状態は含まない趣旨である。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池を再始動する前に前記酸化ガスを前記燃料電池に供給し低下した発電能力が回復したあと前記燃料電池が再始動するよう制御してもよい。こうすれば、酸化ガスによって発電能力を回復してから発電運転を再開するため、安定した状態で確実に発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池を再始動する前に前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し低下した発電能力が回復したあと前記燃料電池が再始動するよう制御してもよい。こうすれば、燃料ガスによって発電能力を回復してから発電運転を再開するため、安定した状態で確実に発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。

本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池に供給された燃料ガスが前記燃料電池を介して循環する循環流路、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池を再始動する前に前記循環流路を循環する燃料ガスを排出すると共に新たな燃料ガスを前記循環流路に導入するパージ操作を前記前処理として実行してもよい。こうすれば、循環流路に混入した不純ガスを除去することにより循環流路内の燃料ガスの純度を発電運転の再開前に高めるため、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、該低下の程度に応じて前記燃料電池の発電しやすい状態を設定し該設定した状態になるよう前記前処理を実行してもよい。こうすれば、燃料電池の発電能力の低下の程度に応じた前処理を実行することにより、一層安定した状態で燃料電池を再始動することができる。

あるいは、本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電能力が低下しているか否かを判定する判定手段と、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池を発電しやすい状態にしながら前記燃料電池が再始動するよう制御する制御手段と、
を備えたものとしてもよい。

この燃料電池システムは、停止条件の成立後に燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、燃料電池を発電しやすい状態にしながら発電運転を再開するよう制御する。したがって、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池への前記酸化ガスの供給量を通常の発電運転時よりも増加した状態にしながら前記燃料電池が再始動するよう制御してもよい。こうすれば、再始動時に酸化ガスを十分に燃料電池に供給可能であるため、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。このとき、前記制御手段は、前記酸化ガスの供給量を増加した状態にするに際して、前記燃料電池への前記酸化ガスの供給量を通常の発電運転時よりも増加した状態で所定時間継続してもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を通常の発電運転時よりも増加した状態にしながら前記燃料電池が再始動するよう制御してもよい。こうすれば、再始動時に燃料ガスを十分に燃料電池に供給可能であるため、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。このとき、前記制御手段は、前記燃料ガスの供給量を増加した状態にするに際して、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を通常の発電運転時よりも増加した状態で所定時間継続してもよい。

本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池に供給された燃料ガスが前記燃料電池を介して循環する循環流路、を備え、前記制御手段は、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池を再始動する前に前記循環流路を循環する燃料ガスを排出すると共に新たな燃料ガスを前記循環流路に導入するパージ操作の実行頻度を通常の発電運転時よりも増加した状態で前記燃料電池が再始動するよう制御してもよい。こうすれば、循環流路に混入した不純ガスを除去することにより循環流路内の燃料ガスの純度をより高めながら発電運転を再開するため、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、該低下の程度に応じて前記燃料電池の発電しやすい状態を設定し該設定した状態にしながら前記燃料電池が再始動するよう制御してもよい。こうすれば、燃料電池の発電能力の低下の程度に応じて設定された状態にしながら再始動を行うため、一層安定した状態で燃料電池を再始動することができる。

本発明の車両は、上述した種々の態様のいずれかの燃料電池システムを搭載したものである。本発明の燃料電池システムは、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができるから、これを搭載した車両も同様の効果を奏するものとなる。

本発明の燃料電池システムの制御方法は、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムの制御方法であって、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池を再始動する前に該燃料電池を発電しやすい状態になるよう前処理を実行し該前処理を実行したあと前記燃料電池が再始動するよう制御することを含むものである。

この燃料電池システムの制御方法は、停止条件の成立後に燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、燃料電池を再始動する前に該燃料電池が発電しやすい状態になるよう前処理を実行することにより、十分燃料電池を発電しやすい状態にしてから燃料電池を再始動するよう制御する。したがって、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。なお、この燃料電池システムの制御方法において、上述した燃料電池システムの種々の態様を採用してもよいし、また、上述した燃料電池システムの機能を実現するようなステップを追加してもよい。

あるいは、本発明の燃料電池システムの制御方法は、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムの制御方法であって、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池を発電しやすい状態にしながら前記燃料電池が再始動するよう制御することを含むものとしてもよい。

この燃料電池システムの制御方法は、停止条件の成立後に燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、燃料電池を発電しやすい状態にしながら発電運転を再開するよう制御する。したがって、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。なお、この燃料電池システムの制御方法において、上述した燃料電池システムの種々の態様を採用してもよいし、また、上述した燃料電池システムの機能を実現するようなステップを追加してもよい。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池自動車２０の構成の概略を示す構成図である。燃料電池自動車２０は燃料電池システム１２を搭載した車両であり、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池３１が複数積層された燃料電池スタック３０と、電力を蓄電又は放電可能な蓄電装置４６と、電力ライン４８に接続されたインバータ４１と、燃料電池スタック３０の出力端子に接続された電力ライン４８の電圧を調整すると共に蓄電装置４６の充放電を行うＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、インバータ４１のスイッチング素子のスイッチングにより駆動制御され駆動軸６４と動力のやり取りを行う駆動用モータ４３と、燃料電池システム１２全体をコントロールする電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０とを備える。なお、駆動軸６４は、ディファレンシャルギア６２を介して駆動輪６３，６３に接続されており、駆動用モータ４３から出力された動力は最終的には、駆動輪６３，６３に出力されるようになっている。

燃料電池スタック３０は、固体高分子電解質型の単セルである燃料電池３１を複数積層したスタック構造を有し、高電圧電源（数百Ｖ）として機能する。この燃料電池３１は、電解質膜をアノード及びカソードとで挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟み込むことにより構成されている。この燃料電池３１は、燃料ガスタンク２２及びガス循環ポンプ２４より燃料ガスがアノードに供給され、空気供給器２８より圧力が調節された酸化ガス（圧縮空気）がカソードに供給され、所定の電気化学反応が進行することにより水の生成を伴って起電力が生じる。この空気供給器２８は、図示しないモータが回転駆動することにより酸化ガスを圧縮して燃料電池スタック３０に供給するコンプレッサとして構成されている。燃料ガスは、供給バルブ２６を介して燃料タンク２２から供給され、反応しなかった余剰燃料ガスはガス循環ポンプ２４によって循環流路２５を循環し再利用される。このガス循環ポンプ２４は、図示しないモータが回転駆動することにより燃料ガスを押し出すことにより循環させるポンプである。この循環流路２５を循環する燃料ガスは、パージ操作を定期的に行うことにより電解質膜を介してカソードから混入する窒素ガスなどによる純度の低下が抑制されている。このパージ操作では、パージバルブ２７を開き、循環流路２５を循環する燃料ガスを排出すると共に燃料電池スタック３０を介して燃料ガスタンク２２からの新たな燃料ガスを循環流路２５に導入してパージバルブ２７を閉じる操作が行われる。なお、循環流路２５から排出した燃料ガスは、燃料電池スタック３０から排出される酸化ガスにより希釈され、図示しない触媒により燃焼処理される。この燃料電池スタック３０には、燃料電池スタック３０から出力される電圧Ｖｆｃを検出する電圧計５４が取り付けられている。このセンサは信号ラインによりＥＣＵ７０に接続されている。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、時間を計測するタイマ７８と、入出力ポート（図示せず）とを備える。このＥＣＵ７０には、燃料電池スタック３０の出力端子間に取り付けられた電圧計５４からの電圧Ｖｆｃやインバータ３４内に取り付けられた図示しない電流センサからの駆動用モータ４３に印加している各相の電流，駆動用モータ４３に取り付けられた図示しない角度センサからの駆動用モータ４３の回転子の回転角，車速センサ８８からの車速ｖ，シフトレバー８１の位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダルポジションＡｃｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰなどが入力ポートを介して入力されている。また、ＥＣＵ７０からは、ガス循環ポンプ２４への駆動信号や供給バルブ２６への制御信号，パージバルブ２７への制御信号，空気供給器２８への駆動信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ４２への制御信号，インバータ４１への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、ＥＣＵ７０が本発明の判定手段及び制御手段に相当する。

次に、本実施例の燃料電池システムの動作について説明する。図２は、燃料電池システムのＥＣＵ７０のＣＰＵ７２により実行される燃料電池制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、ＲＯＭ７４に記憶され、ＣＰＵ７２によりシステムが起動してから所定のタイミングごと（例えば数ｍｓｅｃごと）に繰り返し実行される。

この制御ルーチンが開始されると、ＣＰＵ７２は、まず運転停止実行フラグＦｓが１にセットされているか否かを判定する（ステップＳ１００）。この運転停止実行フラグＦｓは、燃料電池スタック３０の停止再始動運転における発電運転の停止中に１にセットされるフラグであり、初期値はゼロに設定されている。運転停止実行フラグＦｓが１にセットされていないときには、ＣＰＵ７２は、燃料電池スタック３０の発電運転の停止条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、発電運転の停止条件は、例えば燃料電池自動車２０が所定の低速範囲（例えば時速２０ｋｍ以下など）であり且つ要求発電量が低く且つ蓄電装置４６の蓄電量が十分あるときなど、燃料電池スタック３０の発電効率が所定の範囲を下回り燃料電池スタック３０の発電運転を停止可能なときに成立する。なお、停止再始動運転とは、所定の停止条件が成立したときに燃料電池スタック３０の発電運転を停止し、該停止後に所定の再始動条件が成立すると燃料電池スタック３０の発電運転を再始動する運転モードである。

ステップＳ１１０で停止条件が成立していないときには、ＣＰＵ７２は、通常運転制御を実行し（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。この通常運転制御では、シフトポジションＳＰ，アクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダルポジションＢＰ及び車速ｖなどの各種情報を入力し、この各種情報に基づいて車両に要求される要求動力を計算し、該計算した要求動力が出力されるように燃料電池スタック３０の補機類（ガス循環ポンプ２４、空気供給器２８、インバータ４１及びＤＣ／ＤＣコンバータ４２など）を駆動・制御する。例えば、要求動力に見合うすべての電力が燃料電池スタック３０から出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御したり、要求動力に見合う電力が燃料電池スタック３０及び蓄電装置４６から出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御したり、要求動力と蓄電装置４６の充電に必要な電力との和に見合う電力が燃料電池スタック３０から出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御したりする。

一方、ステップＳ１１０で、停止再始動運転条件が成立しているときには、ＣＰＵ７２は、運転停止実行フラグＦｓを１にセットし運転停止時間ｔｓを計測するタイマ７８をスタートさせると共に燃料電池スタック３０の停止再始動運転の実行を開始する（ステップＳ１３０）。ここで、停止再始動運転は、燃料ガス供給用の供給バルブ２６を閉じて燃料ガスタンク２２からの燃料ガスの供給を停止すると共に燃料電池スタック３０の補機類の駆動・制御を停止して燃料電池スタック３０の発電運転を停止することにより開始される。なお、運転停止時間ｔｓは、一定値として設定されＲＯＭ７４に記憶されている。

ステップＳ１００で運転停止実行フラグＦｓが１にセットされているときには、ＣＰＵ７２は、燃料電池スタック３０の発電能力が低下しているか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ここで、発電能力が低下しているか否かの判定は、以下のように行う。例えば、発電運転停止前の燃料電池スタック３０の状態と燃料電池スタック３０を停止し該停止中の電圧変化との関係を経験的に求める。図３は、発電運転を停止したのちの燃料電池スタック３０の電圧Ｖｆｃの変化の説明図である。図３に示すように、通常の発電能力を示すときには、燃料電池スタック３０内部に燃料ガスや酸化ガスが残存するため、電圧Ｖｆｃは緩やかに低下する。一方、発電能力が低下しているときには発電しにくい状態であるため、通常時よりも早く電圧Ｖｆｃが低下する。したがって、発電運転の停止中の電圧の低下率を経時的に測定することによって発電能力が低下しているか否かの判定を行うことができる。この発電能力が低下したか否かの判定は、信頼性確保のためタイマ７８のカウント値が所定値を超えてから行うようにしてもよい。なお、燃料電池スタック３０の一部が損傷するなど燃料ガスの漏洩により発電運転停止中の電圧低下が生じ得るが、循環流路２５での燃料ガスの圧力低下の発生などを把握することにより、発電能力の低下による電圧低下と区別することができる。

さて、ステップＳ１４０で発電能力が低下していないときには発電運転の再始動条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、発電運転の再始動条件は、運転停止時間ｔｓが終了したとき及び上述した停止条件が解除されたときに成立する。停止条件は、例えば発電運転の停止中にアクセルペダル８３が踏み込まれることにより要求発電量が増加したり、蓄電装置４６の蓄電量が少なくなったときなどに解除される。なお、運転停止時間ｔｓが終了したか否かの判定はタイマ７８のカウント値に基づいて行う。ステップＳ１５０で発電運転の停止の終了条件が成立していないときには、ＣＰＵ７２は、そのままこのルーチンを終了する。つまり、発電運転の停止を継続する。一方、発電運転の停止の終了条件が成立しているときには、ＣＰＵ７２は、運転停止実行フラグＦｓをゼロにリセットすると共にタイマ７８をリセットし（ステップＳ２００）、通常運転制御を実行し（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。つまり、通常の再始動の実行条件で燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御し燃料電池スタック３０の発電運転を再開する。

一方、ステップＳ１４０で発電能力が低下しているときには、ＣＰＵ７２は、再始動の実行条件を設定し設定した実行条件で過剰量供給処理を実行する（ステップＳ１６０〜Ｓ１９０）。この過剰量供給処理は、発電能力が低下した燃料電池スタック３０への酸化ガス及び燃料ガスの供給量を通常の発電運転時よりも増加した状態にすることにより燃料電池スタック３０が発電しやすい状態とする処理である。まず、ＣＰＵ７２は、低下した燃料電池スタック３０の発電能力に基づいて再始動の実行条件としての酸化ガス過剰処理量を設定する（ステップＳ１６０）。

ここで、酸化ガス過剰処理条件の設定について説明する。本実施例では、発電能力の低下に見合う酸化ガスの過剰量供給処理を行うように設定されている。具体的には、図３に示した発電運転の停止中の電圧Ｖｆｃの変化を燃料電池スタック３０の発電能力の低下度合いとみなし、この発電能力の低下度合いと発電運転を再開したときに発電しやすい酸化ガスの過剰供給量との関係を経験的に求め、この関係を酸化ガス量設定マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておく。そして、ステップＳ１４０で把握した燃料電池スタック３０の電圧Ｖｆｃの変化に対応する酸化ガスの過剰供給量をこのマップを用いて設定する。ここでは、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほど燃料電池スタック３０に供給する酸化ガスの全体量が大きくなるように過剰量を設定するようになっている。具体的には、酸化ガスの供給速度を一定の過剰供給速度とし、この過剰供給速度で継続した供給時間ｔｏｓを長くすることにより酸化ガス全体の過剰量が大きくなるように設定されている。図４は、酸化ガス量設定マップの一例を示す説明図である。このマップは、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほど酸化ガスを過剰量供給する供給時間ｔｏｓが長くなるようにステップ的に設定されている。なお、ここでは空気供給器２８のモータの回転数を通常よりも高い回転数にすることにより酸化ガスの供給速度を過剰供給速度とする。

次に、ＣＰＵ７２は、低下した燃料電池スタック３０の発電能力に基づいて再始動の実行条件としての燃料ガス過剰処理条件を設定する（ステップＳ１７０）。具体的には、図３に示した発電運転の停止中の電圧Ｖｆｃの変化を燃料電池スタック３０の発電能力の低下度合いとみなし、この発電能力の低下度合いと発電運転を再開したときに発電しやすい燃料ガスの過剰供給量との関係を経験的に求め、この関係を燃料ガス量設定マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておく。そして、ステップＳ１４０で把握した燃料電池スタック３０の電圧Ｖｆｃの変化に対応する燃料ガスの過剰供給量をこのマップを用いて設定する。ここでは、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほど燃料電池スタック３０に供給する燃料ガスの全体量が大きくなるように過剰量を設定するようになっている。具体的には、燃料ガスの供給速度を一定の過剰供給速度とし、この過剰供給速度で継続した供給時間ｔｏｓを長くすることにより燃料ガス全体の過剰量が大きくなるように設定されている。図５は、燃料ガス量設定マップの一例を示す説明図である。このマップは、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほど燃料ガスを過剰量供給する供給時間ｔｆｓが長くなるようにステップ的に設定されている。なお、ここではガス循環ポンプ２４のモータの回転数を通常よりも高い回転数にすることにより燃料ガスの供給速度を過剰供給速度とする。

ステップＳ１７０のあと、ＣＰＵ７２は、通常よりも過剰量に設定された供給条件で酸化ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック３０に供給しながら発電運転を再開する（ステップＳ１８０）。つまり、供給時間ｔｏｓ及び供給時間ｔｆｓの終了まで酸化ガス及び燃料ガスを過剰量供給しながら、要求される電力が出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御する。こうして、再始動時の燃料電池３１のアノードに燃料ガスが十分供給されると共に燃料電池３１のカソードに酸化ガスが十分に供給されることから、燃料電池３１のアノードやカソードで電気化学反応に必要なガスが不足することなく、スムーズ且つ速やかに発電が開始される。そして、ＣＰＵ７２は、過剰量供給処理が終了したか否かを供給時間ｔｏｓ及び供給時間ｔｆｓが終了したか否かにより判定する（ステップＳ１９０）。ここで、供給時間ｔｏｓ及び供給時間ｔｆｓが終了したか否かの判定は、タイマ７８の値に基づいて行うことができる。過剰量供給処理が終了していないときには、ＣＰＵ７２は、そのまま待機し、一方、過剰量供給処理が終了したときには運転停止実行フラグＦｓをゼロにリセットすると共にタイマ７８をリセットし（ステップＳ２００）、通常運転制御を実行し（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。つまり、通常の実行条件で燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御し燃料電池スタック３０の発電運転を行う。

以上詳述した本実施例の燃料電池自動車２０によれば、発電運転の停止条件の成立後に燃料電池スタック３０の発電能力が低下していると判定されたときには、燃料電池スタック３０を発電しやすい状態にしながら発電運転を再開するよう制御する。したがって、安定した状態で発電能力の低下した燃料電池スタック３０を再始動することができる。このため、発電運転の再始動後に生じるセル電圧低下などの異常の発生を防止することにより、燃料電池システム保全のための強制的な発電停止などが実行されるのを抑制することができる。

また、安定した発電に重要な関係がある燃料ガス及び酸化ガスに関係する再始動の実行条件を設定することにより燃料電池の状態に適した条件で再始動することができる。また、燃料電池スタック３０への酸化ガスの供給量を通常の発電運転時よりも過剰量供給しながら燃料電池スタック３０の発電運転を再開するよう制御するため、酸化ガスを十分供給可能であり、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池スタック３０を再始動することができる。更に、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほど燃料電池スタック３０に供給する酸化ガスの全体量が大きくなるように過剰量を設定するため、燃料電池スタック３０の発電能力の低下状態に応じた酸化ガスの供給条件で再始動することができる。

更に、燃料電池スタック３０への燃料ガスの供給量を通常の発電運転時よりも過剰量供給しながら燃料電池スタック３０の発電運転を再開するよう制御するため、燃料ガスを十分供給可能であり、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。また、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほど燃料電池スタック３０に供給する燃料ガスの全体量が大きくなるように過剰量を設定するため、燃料電池スタック３０の発電能力の低下状態に応じた燃料ガスの供給条件で再始動することができる。

更にまた、燃料電池システム１２が許容する範囲で燃料電池スタック３０の発電能力の低下を許容し、該許容する範囲で発電運転を停止することにより燃料ガス及び酸化ガスの供給を比較的長時間停止可能であるため、発電運転停止中であっても発電しやすい状態に維持するもの（例えば特許文献１のものなど）に比べて燃費を向上することができる。

そして、再始動時に燃料ガス及び酸化ガスの過剰量供給処理を行うため、発電運転の停止中に低下した発電能力をある程度回復可能であるため、再始動後にさらに停止再始動運転を実行しやすい。したがって、停止再始動運転中に発電能力が低下しても、例えば、そのあと循環流路２５などでの燃料ガスの漏洩チェック用の発電運転の停止なども実行することができる。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施例では、ステップＳ１６０〜１８０で停止再始動運転の再始動時に酸化ガス及び燃料ガスを過剰量供給するように再始動の実行条件を設定するとしたが、酸化ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方の過剰量供給処理を燃料電池スタック３０の状態に応じて省略してもよい。こうすれば、必要な処理だけ行うため、過剰量供給処理の無駄を省くことができる。なお、「燃料電池スタック３０の状態に応じて省略する」とは、例えば酸化ガスが流れにくいときには、酸化ガス側のみ過剰量供給処理を行ったり、燃料ガスが流れにくいときには、燃料ガス側のみ過剰量供給処理を行ったりすることなどをいう。

あるいは、上述した実施例では、ステップＳ１６０〜１８０で停止再始動運転の再始動時に酸化ガス及び燃料ガスを過剰量供給するように再始動の実行条件を設定して該設定した条件で過剰量供給処理を実行しながら発電運転を再開するとしたが、このステップＳ１６０〜Ｓ１８０の処理に代えて、燃料電池スタック３０を再始動する前に、低下した発電能力を回復させるため酸化ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック３０に供給する前処理を実行したあと、燃料電池スタック３０を再始動してもよい。こうすれば、燃料電池スタック３０の発電能力を回復してから発電運転を再開するため、安定した状態で確実に発電能力の低下した燃料電池を再始動することができる。また、この前処理では、発電運転を再開する前に、つまり酸化ガスや燃料ガスを消費しない状態で燃料電池スタック３０のカソードやアノードに酸化ガスや燃料ガスを供給し、酸化ガスや燃料ガスがアノードやカソードに十分存在するようになるため、燃料電池スタック３０を発電しやすい状態にすることができる。この前処理において、酸化ガス及び燃料ガスを燃料電池に通常時よりも過剰量供給してもよい。こうすれば、発電運転を再開する前に、より十分に酸化ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック３０に供給可能であり、また、酸化ガスの流路に存在する水などを過剰量の酸化ガスによって除去可能であるため、燃料電池の発電能力を回復しやすい。このとき、燃料電池スタック３０の発電能力の低下の程度に基づいて酸化ガス及び燃料ガスを供給する前処理条件を設定してもよい。具体的には、酸化ガスによる前処理条件を、例えば図４に示すマップのように、燃料電池スタック３０の発電能力が低いときには前処理時間を長くするよう設定したり、あるいは、燃料電池スタック３０の発電能力が低いときには前処理の酸化ガスの供給速度を大きくするよう設定してもよい。また、燃料ガスによる前処理条件を、例えば図５に示すマップのように、燃料電池スタック３０の発電能力が低いときには前処理時間を長くするよう設定したり、あるいは、燃料電池スタック３０の発電能力が低いときには前処理の燃料ガスの供給速度を大きくするよう設定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック３０の発電能力の低下状態に応じた前処理を実行するため、一層安定した状態で再始動することができる。なお、酸化ガス及び燃料ガスのうちいずれか一方の前処理を燃料電池スタック３０の状態に応じて省略してもよい。または、上記説明した再始動の各実行条件を燃料電池スタック３０の状態に応じて自由に組み合わせてもよい。

また、再始動条件の設定及び実行処理（ステップＳ１６０〜Ｓ１８０）に代えて又はこれに加えて、循環流路２５の燃料ガスのパージ操作の実行頻度を燃料電池スタック３０の状態に基づいて設定し、該設定した条件で実行してもよい。こうすれば、循環流路２５に混入した不純ガスを除去することにより循環流路２５内の燃料ガスの純度をより高めて発電運転を再開するため、より安定した状態で発電能力の低下した燃料電池スタック３０を再始動することができる。また、燃料ガスがアノードに十分存在するようになるため、燃料電池スタック３０を発電しやすい状態にすることができる。このとき、燃料電池スタック３０の発電能力が低いほどパージ操作の実行頻度が高くなるように該実行頻度を設定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック３０の発電能力の低下状態に応じた燃料ガスの純度で再始動することができる。なお、発電運転を再開する前に燃料ガスのパージ操作を行ってもよいし、発電運転を行いながら燃料ガスのパージ操作を行ってもよい。

更に、上述した実施例では、酸化ガスの過剰供給速度を一定として供給時間ｔｏｓを可変とすることにより酸化ガスの全体量が発電能力の低下の程度に基づいて変わるように設定するとしたが（図４及び図５参照）、酸化ガスの供給時間ｔｏｓを一定とし過剰供給速度を可変とすることにより酸化ガスの全体量が変わるように過剰量を設定してもよい。また、過剰供給による燃料電池スタック３０の発電能力の回復に伴って酸化ガスの供給量が減少するように過剰量を設定してもよい。あるいは、上述した実施例では、発電能力の低下の程度に応じて供給される酸化ガスの全体量を変化するとしたが、発電能力の低下の程度にかかわらず酸化ガスの過剰供給速度を一定値とすると共に供給時間ｔｏｓを一定値として過剰量供給処理を実行してもよい。こうすれば、所定時間だけ過剰量供給処理をするため、過剰量供給処理の制御を簡素化することができる。なお、燃料ガスの過剰供給量の設定方法についても上記した酸化ガスの設定方法と同様に行うことができる。

更にまた、上述した実施例では、燃料電池スタック３０全体の電圧Ｖｆｃを検出して再始動の実行条件を設定するとしたが、各単セルである燃料電池３１の各電圧Ｖｃを検出して再始動の実行条件を設定してもよいし、複数積層された燃料電池３１の中から選ばれた１以上の燃料電池３１の電圧を検出して再始動の実行条件を設定してもよいし、幾つかの燃料電池３１をまとめた単電池モジュールの電圧を検出して再始動の実行条件を設定してもよい。このとき、検出した中で最も発電能力が低下しているものに基づいて再始動の実行条件を設定してもよい。こうすれば、一層安定した状態で燃料電池スタック３０を再始動することができる。

そして、上述した実施例では、酸化ガス量設定マップ（図４参照）は、燃料電池スタック３０の状態に基づいて酸化ガスを過剰量供給する供給時間ｔｏｓをステップ的に定めるものとしたが、これに限られず、直線的（リニア）に定めてもよい。なお、燃料ガス量設定マップ（図５参照）についても同様である。

そしてまた、上述した実施例では、自動車に搭載した燃料電池システム１２について説明したが、同様の燃料電池システムを列車などの他の車両や船舶や航空機などの移動体に搭載してもよいし、据え置き型のシステム（例えばコジェネレーションシステムなど）に組み込んでもよい。

本実施例の燃料電池自動車２０の構成の概略を示す構成図である。本実施例の燃料電池制御ルーチンのフローチャートである。発電運転停止後の燃料電池スタック３０の電圧Ｖｆｃ変化の説明図である。本実施例の酸化ガス量設定マップの一例を示す説明図である。本実施例の燃料ガス量設定マップの一例を示す説明図である。

符号の説明

１２燃料電池システム、２０燃料電池自動車、２２燃料ガスタンク、２４ガス循環ポンプ、２５循環流路、２６供給バルブ、２７パージバルブ、２８空気供給器、３０燃料電池スタック、３１燃料電池、４１インバータ、４２ＤＣ／ＤＣコンバータ、４３駆動用モータ、４６蓄電装置、４８電力ライン、５４電圧計、６２ディファレンシャルギア、６３駆動輪、６４駆動軸、７０ＥＣＵ、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ、７８タイマ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電能力が低下しているか否かを判定する判定手段と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスが前記燃料電池を介して循環する循環流路と、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池を再始動する前に所定の前処理を実行し該前処理を実行したあと前記燃料電池が再始動するよう制御する制御手段と、を備え、
前記判定手段は、前記燃料ガスと前記酸化ガスとの電気化学反応を阻害する要因に基づく前記燃料電池の発電能力の低下を判定し、該燃料電池の発電能力の低下を判定するに際して、前記燃料電池の発電運転の停止中において該燃料電池内部に残存する前記燃料ガス及び前記酸化ガスによる電圧の低下率が所定の低下率よりも大きいときに発電能力が低下していると判定し、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記酸化ガスを前記燃料電池に過剰供給する該酸化ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記燃料ガスを前記燃料電池に過剰供給する該燃料ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、及び前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記循環流路を循環する燃料ガスを排出すると共に新たな燃料ガスを前記循環流路に導入するパージ操作の実行頻度を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、のうちいずれか１以上を実行したあと前記燃料電池が再始動するよう制御する、燃料電池システム。
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電能力が低下しているか否かを判定する判定手段と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスが前記燃料電池を介して循環する循環流路と、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記判定手段によって前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、所定の前処理を実行しながら前記燃料電池が再始動するよう制御する制御手段と、を備え、
前記判定手段は、前記燃料ガスと前記酸化ガスとの電気化学反応を阻害する要因に基づく前記燃料電池の発電能力の低下を判定し、該燃料電池の発電能力の低下を判定するに際して、前記燃料電池の発電運転の停止中において該燃料電池内部に残存する前記燃料ガス及び前記酸化ガスによる電圧の低下率が所定の低下率よりも大きいときに発電能力が低下していると判定し、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記酸化ガスを前記燃料電池に過剰供給する該酸化ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記燃料ガスを前記燃料電池に過剰供給する該燃料ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、及び前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記循環流路を循環する燃料ガスを排出すると共に新たな燃料ガスを前記循環流路に導入するパージ操作の実行頻度を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、のうちいずれか１以上を実行しながら前記燃料電池が再始動するよう制御する、燃料電池システム。
前記制御手段は、前記酸化ガスを過剰供給するに際して、前記燃料電池への前記酸化ガスの供給量を、要求動力に見合う電力を発電する通常の発電運転時よりも増加した状態で所定時間継続する、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料ガスを過剰供給するに際して、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を、要求動力に見合う電力を発電する通常の発電運転時よりも増加した状態で所定時間継続する、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載した車両。
燃料電池に供給された燃料ガスが前記燃料電池を介して循環する循環流路を備え、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料ガスと前記酸化ガスとの電気化学反応を阻害する要因に基づく前記燃料電池の発電能力の低下を判定し、該燃料電池の発電能力の低下を判定するに際して、前記燃料電池の発電運転の停止中において該燃料電池内部に残存する前記燃料ガス及び前記酸化ガスによる電圧の低下率が所定の低下率よりも大きいときに発電能力が低下していると判定し、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記酸化ガスを前記燃料電池に過剰供給する該酸化ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記燃料ガスを前記燃料電池に過剰供給する該燃料ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、及び前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記循環流路を循環する燃料ガスを排出すると共に新たな燃料ガスを前記循環流路に導入するパージ操作の実行頻度を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、のうちいずれか１以上を実行したあと前記燃料電池が再始動するよう制御する、
燃料電池システムの制御方法。
燃料電池に供給された燃料ガスが前記燃料電池を介して循環する循環流路を備え、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で燃料電池が発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料ガスと前記酸化ガスとの電気化学反応を阻害する要因に基づく前記燃料電池の発電能力の低下を判定し、該燃料電池の発電能力の低下を判定するに際して、前記燃料電池の発電運転の停止中において該燃料電池内部に残存する前記燃料ガス及び前記酸化ガスによる電圧の低下率が所定の低下率よりも大きいときに発電能力が低下していると判定し、
所定の停止条件が成立したときには前記燃料電池の発電運転を停止するよう制御し、前記停止条件の成立後に前記燃料電池の発電能力が低下していると判定されたときには、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記酸化ガスを前記燃料電池に過剰供給する該酸化ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記燃料ガスを前記燃料電池に過剰供給する該燃料ガスの供給量を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、及び前記燃料電池の発電能力の低下が大きいほど前記循環流路を循環する燃料ガスを排出すると共に新たな燃料ガスを前記循環流路に導入するパージ操作の実行頻度を大きくし低下した発電能力を回復させる前処理、のうちいずれか１以上を実行しながら前記燃料電池が再始動するよう制御する、
燃料電池システムの制御方法。