JP4940569B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、車両の駆動用電源として燃料電池システムを搭載した燃料電池車両がアイドル運転時に、燃料電池システムを発電停止に移行する際の制御手法を改善した燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。この文献１に記載された技術では、燃料電池車両の走行状態に応じてアイドル停止モードが開始されると、エアコンプレッサ等の燃料電池駆動用補機類の動作が停止されると共に燃料電池本体の出力が停止され、続いて車両の特定の負荷、例えば各種制御装置を除く補機類等の動作を停止することで、燃費の向上を図っている。

一方、文献２に記載された技術では、低負荷時には燃料電池システムを回路から切り離してキャパシタから電力を供給し、燃料電池システムは低出力運転を行い、電源装置全体としてのエネルギー効率の低下を防止している。

このように、燃料電池車両がアイドル運転（以下、アイドルストップと呼ぶ）に移行した際に、燃料電池システムの発電を停止する場合には、燃料電池スタックの劣化を防止する観点から、燃料電池スタックの起電力を劣化電位以下に抑える必要があり、このためにはカソード電極に残留する酸素を消費する必要があった。また、車両がアイドルストップ状態になった後燃料電池システムの発電を停止してアイドルストップ状態になるまでの時間を短縮するために、酸素を消費する処理を短時間で行う必要があった。
特開２００１−３５９２０４ 特開２００４−０１４１５９

したがって、アイドルストップ移行時に燃料電池スタックの起電圧を短時間で低下させるためには、燃料電池から大きな電流値で電流を取り出すことが望まれる。これにより、カソード電極に残留する酸素が短時間で消費される。しかしこのような手法では、電流の取り出しが終了したときに、取り出し電流の電流値が大きければ大きいほどスタック電圧の戻り量が大きくなる。このため、予想以上に燃料電池スタックのスタック電圧が戻りすぎて燃料電池スタックが劣化する電圧まで戻ってしまうおそれがあり、燃料電池スタックの劣化が促進されるといった不具合を招くことになる。

そこで、このような不具合を防止するために、取り出し電流自体を小さく抑えて電流の取り出しを終了したときにスタック電圧の戻り幅を小さくしたり、電流の取り出しを終了したときにスタック電圧が戻りすぎないように十分長い時間をかけてスタック電圧を下げることが考えられる。しかし、何れの場合であっても、電流の取り出しに時間がかかり、アイドルストップ移行時に燃料電池システムの発電を停止するまでの時間が長くなるといった不具合を招くことになる。

また、スタック電圧が予想以上に大きく戻りすぎた場合であっても、スタック電圧がスタックが劣化する電圧まで戻らない程度にまで燃料電池から電流の取り出しを過度に行うと、カソード電極の酸素を必要以上に消費し過ぎてしまうおそれがあった。このような場合には、燃料電池システムがアイドルストップから復帰するときに、カソード電極における酸素不足により発電の開始が遅れ、車両の運転性能が悪化するといった不具合を招くことになる。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アイドルストップの移行制御における燃料電池システムの劣化や性能の悪化を抑制し、アイドルストップの移行時間を短縮した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われ、アイドルストップに移行する際に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池スタックから電流を取り出し、前記燃料電池スタックのカソード電極に残留する酸化剤ガスを消費して前記燃料電池スタックのスタック電圧を低下させた後、前記燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、アイドルストップに移行する毎に、電流の取り出しを開始する前後の前記燃料電池スタックの電圧、電流に基づいてスタック固定抵抗値を求め、前記スタック固定抵抗値と、現在前記燃料電池スタックから取り出している取り出し電流とに基づいて、この取り出し電流で前記燃料電池スタックから電流を取り出しているときに電流の取り出しを終了した場合の前記燃料電池スタックのスタック電圧を推定し、推定したスタック電圧に基づいて電流の取り出しを終了するか否かを判断することを特徴とする。

本発明によれば、取り出し電流を低下させて電流の取り出し終了時の電流を開始時の電流よりも少なくすることで、電流の取り出し終了時の実際のスタック電圧と見かけ上のスタック電圧との差を小さくすることが可能となる。これにより、電流の取り出しを終了するタイミングをより精度よく判定することが可能となり、燃料電池スタックの劣化や酸化剤ガスの過剰消費を抑制することに加えて、発電停止に移行するまでの時間を短縮することができ、燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の基本構成を示す図であり、図２は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

図１において、燃料電池車両は、車両本体１０１に駆動電源として燃料電池システム１０２を搭載してなるものであり、更にインバータ１０３、駆動モータ１０４、駆動輪１０５、車速センサ１０６、２次電池１０７、リレー１０８ならびに制御コントローラ１０９を備えている。また、燃料電池車両は、車両のシフト位置を検出するシフト位置センサ１１１、ブレーキの有無を検出するブレーキセンサ１１２、ならびにアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ１１３を備えている。

燃料電池システム１０２は、駆動モータ１０４が消費する電力や２次電池１０７の充電に必要な電力が発電できるように、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの水素や酸化剤ガスの空気の圧力、ならびに流量等が図２に示す圧力調整弁、コンプレッサ等で制御される。

インバータ１０３は、燃料電池システム１０２で発電される直流電力を交流電力に変換し、制御コントローラ１０９から指示される駆動モータ１０４を駆動する出力トルクとなるように、駆動モータ１０４を制御する。

駆動輪１０５は、駆動モータ１０４と機械的に接続されており、駆動モータ１０４で得られた駆動トルクが伝達されて、駆動力を発生させて車両を駆動する。車速センサ１０６は駆動輪１０５の回転速度を検出する。

２次電池１０７は、車両のアイドリングストップ時など、燃料電池システム１０２から電力が供給されない場合に、駆動モータ１０４や、燃料電池システム１０２が発電するために必要となる補機の圧力調整弁やコンプレッサに電力を供給する。２次電池１０７には、２次電池１０７の電圧を検出する電圧センサ１１４ならびに電流を検出する電流センサ１１５が設けられており、この電圧センサ１１４ならびに電流センサ１１５で検出された電圧ならびに電流に基づいて、２次電池１０７の充電量が推定される。

リレー１０８は、制御コントローラ１０９からの指令に基づいて、燃料電池システム１０２と負荷とを接続／切断する。

制御コントローラ１０９は、本燃料電池車両の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御コントローラ１０９は、本車両における上記各センサ類からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本車両の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、本車両のアイドリングストップ移行時の燃料電池システム１０２の動作処理を含む本車両の運転／停止動作に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

次に、図２を参照して、燃料電池システム１０２について説明する。

図２において、燃料電池システム１０２は、発電を行う燃料電池スタック２０１と、この燃料電池スタック２０１に燃料ガスである水素（あるいは水素リッチガス）を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック２０１に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するための空気供給系とを有している。

燃料電池スタック２０１は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。

燃料電池スタック２０１の水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック２０１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

水素供給系は、水素供給手段から供給される水素を水素極通路を介して燃料電池スタック２０１の水素極へと導く。すなわち、この水素供給系は、水素供給手段として水素を高圧で貯蔵する水素タンク２０２、燃料電池スタック２０１で行われる発電に必要となる水素が燃料電池スタック２０１に供給されるように燃料電池スタック２０１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁２０３、燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスをエゼクタ２０４を介して燃料電池スタック２０１の入口側に戻すために水素オフガスを水素循環配管２０５を循環させる水素循環ポンプ２０６、ならびに水素極通路となる水素供給配管２０７を有している。

また、燃料電池スタック２０１の水素極の入口近傍には、燃料電池スタック２０１に供給される水素の圧力を検出する水素圧力センサ２０８、ならびに水素濃度を検出する水素濃度センサ２０９が設けられている。

水素供給源である水素タンク２０２から供給される水素ガスは、水素調圧弁２０３を通って水素供給配管２０７へと送り込まれ、燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。このとき、水素調圧弁２０３は、水素圧力センサ２０８で検出された水素圧力に基づいて調圧制御され、燃料電池スタック２０１の水素極及び水素極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、供給される水素ガスの圧力を調整している。

燃料電池スタック２０１では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスは、水素循環配管２０５を通って水素循環ポンプ２０６により循環され、エゼクタ２０４で新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。これにより、水素のストイキ比（供給流量／消費流量）を１以上にすることができ、セル電圧が安定化する。

水素供給系における燃料電池スタック２０１の出口側には、パージ弁２１０及びパージ配管２１１が設けられている。パージ弁２１０は、通常は閉じられており、燃料電池スタック２０１の水詰まりや不活性ガスの蓄積等によるセル電圧の低下を検知すると開放される。水素循環配管２０５内には水素ガスを循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池スタック２０１の発電効率が低下する場合がある。そこで、燃料電池スタック２０１の出口側にパージ弁２１０やパージ配管２１１を設け、必要に応じてパージ弁２１０を開放して水素パージを行うことで、水素循環配管２０５内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。

燃料電池スタック２０１の空気供給系は、空気供給手段からの空気を空気極通路によって燃料電池スタック２０１の空気極へと導く。すなわち、この空気供給系は、空気供給手段としての空気コンプレッサ２１２や空気調圧弁２１３と、空気極通路となる空気供給配管２１４を有している。

空気コンプレッサ２１２は、燃料電池スタック２０１の空気極に空気を送り込むものであり、例えばモータ駆動により圧縮した空気を空気供給配管２１４を通して燃料電池スタック２０１の空気極へと供給する。

空気調圧弁２１３は、空気コンプレッサ２１２によって燃料電池スタック２０１に供給される空気の圧力を調整するものであり、燃料電池スタック２０１の空気極の出口側の排気管２１５に設けられている。

燃料電池スタック２０１の空気極の入口近傍には、空気圧力センサ２１６が設けられており、空気調圧弁２１３は、この空気圧力センサ２１６で検出された空気の圧力に基づいて調圧制御され、燃料電池スタック２０１の空気極及び空気極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、空気コンプレッサ２１２によって供給される空気の圧力を調整している。

燃料電池スタック２０１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック２０１から排気管２１５ならびに空気調圧弁２１３を介して排出される。

上述した固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタック２０１は、適正な作動温度が８０℃前後と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。このため、通常は燃料電池スタック２０１内に冷却水を循環させて燃料電池スタック２０１を冷却し、燃料電池スタック２０１を最適な温度に維持する冷却機構が設けられている。

すなわち、この冷却機構は、冷却水供給手段として冷却水ポンプ２１７、冷却水を適宜冷却するラジエタ２１８、ならびに冷却水の通路となる冷却水配管２１９を有している。また、燃料電池スタック２０１の冷却水入口近傍には、燃料電池スタック２０１に供給される冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ２２０が設けられている、冷却水ポンプ２１７は、冷却水温度センサ２２０で検出された冷却水温度に基づいて駆動制御され、冷却水配管２１９を流通する冷却水温度が８０℃前後となるように冷却水の流量を調整している。

また、燃料電池システムは、電圧センサ２２１、電流センサ２２２、温度センサ２２３ならびにシステム制御部２２４を備えている。電圧センサ２２１は、燃料電池スタック２０１の発電で得られたスタック電圧を検出する。電流センサ２２２は、燃料電池スタック２０１から取り出される電流を検出する。温度センサ２２３は、燃料電池スタック２０１の近傍に設けられ、燃料電池スタック２０１の温度を検出する。なお、燃料電池スタック２０１の温度は、燃料電池スタック２０１の冷却水出口近傍に温度センサを設け、この温度センサで検出された燃料電池スタック２０１から排出された冷却水の温度で代用するようにしてもよい。

システム制御部２２４は、本燃料電池システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現され、例えば図１に示す制御コントローラ１０９の一部機能として実現される。システム制御部２２４は、本燃料電池システムにおける上記各センサ類からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本燃料電池システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、図１に示す燃料電池車両のアイドリングストップ移行時における燃料電池システムの動作処理を含む、本燃料電池システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

次に、車両がアイドルストップした際に、システム制御部２２４の制御の下で実行される燃料電池システムの発電停止の制御動作を説明する。

図３は車両がアイドルストップして、燃料電池システムが発電状態から発電停止状態にに移行する際の燃料電池スタック２０１から取り出す取り出し電流とスタック電圧との関係を示す図である。

車両がアイドルストップ状態になると、燃料電池スタック２０１への水素の供給を停止して燃料電池スタック２０１のアノード電極側を大気圧に対して負圧に減圧した後、空気コンプレッサ２１２の運転を停止し、燃料電池スタック２０１への空気の供給を停止する。このような状態において、燃料電池スタック２０１から電流を取り出す。このときに、燃料電池スタック２０１から取り出す電流は、図３（ｄ）に示すように、電流取り出しの開始時（時刻ｔ３１）では大きな電流とする一方、時間の経過と共に取り出し電流を徐々に減少させる。これにより、燃料電池スタック２０１のカソード電極に残留する酸素を消費して、スタック電圧が低下した後、時刻ｔ３３で電流の取り出しを止めて燃料電池スタック２０１の発電を停止する。

このときに、燃料電池スタック２０１の見かけ上の電圧は、燃料電池スタック２０１のカソード電極に残留する酸素の量に見合った起電圧分と、（そのとき取り出している電流値×燃料電池スタック２０１の固定抵抗値）で表される電圧降下分とを加えた電圧となる。したがって、燃料電池スタック２０１から電流の取り出しを行うときに、取り出し電流の値を徐々に減少させることで、電流の取り出しを止めたときの取り出し電流の値は、電流の取り出し開始時の電流値に比べて小さくなっているので、電流の取り出しを止めたときの上記電圧降下分は、図３（ｂ）に示すように、電流の取り出しの開始時と終了時とで取り出し電流を一定値とした場合に比べて小さくなり、見かけ上の電圧降下分の影響を小さくすることができる。

すなわち、図３（ｂ）に示すように、取り出し電流を一定値とした場合は、電流の取り出しを開始した時刻ｔ３１では取り出し電流に対応してスタック電圧が図３（ａ）に示すようにｄ１だけ降下した後徐々に低下する。その後、電流の取り出しを止めた時刻ｔ３２では、取り出し電流は開始時の電流値と同じであるので、上記電圧降下分は大きくなり、図３（ａ）に示すように、スタック電圧は戻り電圧量ｕ１だけ上昇して戻り、燃料電池スタック２０１が劣化するスタック劣化電圧を越える可能性が極めて高くなる。

これに対して、図３（ｄ）に示すように、取り出し電流を徐々に低減する場合は、電流の取り出しを開始した時刻ｔ３１では取り出し電流に対応してスタック電圧が図３（ｃ）に示すようにｄ２だけ降下した後徐々に低下する。その後、電流の取り出しを止めた時刻ｔ３３では、取り出し電流は開始時の電流値よりも小さくなっているので、上記電圧降下分は図３（ａ）の場合に比べて小さくなる。これにより、図３（ｃ）に示すように、スタック電圧は戻り電圧量ｕ２だけ上昇して戻るが、取り出し電流が小さくなっている分スタック電圧の戻り電圧量ｕ２は図３（ａ）に示す戻り電圧量ｕ１に比べて格段に小さくなる。したがって、電流の取り出しを止めたときのスタック電圧は、スタック劣化電圧を上回る可能性は図３（ａ）の場合に比べて格段に低くすることができる。

このように、この実施例１では、アイドルストップ移行時に、燃料電池スタック２０１から取り出する電流を徐々に低下させることで、最終的に電流取り出しを停止するときの電流値をより小さくすることできるので、燃料電池スタック２０１の見掛け上の電圧と本来の燃料電池スタック２０１の起電力との相関が高くなるので、電流の取り出しを止めるタイミングをより精度よく判定することができる。この結果、スタック電位が上昇しすぎてスタック劣化電圧を越えたり、カソード電極の酸素を過度に消費しすぎたりすることを防止することが可能となる。

なお、取り出し電流は、図３（ｅ）に示すように、取り出しの開始時と終了時との間で段階的（ステップ的）に減らすように電流値を調整制御してもよく、上述したと同様の効果を得ることは可能である。

次に、この発明の実施例２について説明する。この実施例２の特徴とするところは、燃料電池スタック２０１のスタック固定抵抗値を求め、このスタック固定抵抗値に基づいてアイドルストップに移行する際に、先の実施例１と同様に燃料電池スタック２０１から電流を取り出す動作における電流取り出しの終了タイミングを決定するようにしたことである。

先の実施例１で説明したように、アイドルストップ移行時に燃料電池スタック２０１から電流を取り出す処理において、図４に示すように、時刻ｔ４１で電流の取り出しを開始すると、燃料電池スタック２０１のカソード電極の酸素は消費される。これにより、実際の燃料電池スタック２０１の起電力は図４のＶ４２で示すように低下するのに対して、見かけ上の燃料電池スタック２０１の電圧は、図４のＶ４１で示すように低下する。この差異は、燃料電池スタック２０１にスタック固定抵抗値が存在することで生じ、実際の起電力Ｖ４２と見かけ上のスタック電圧Ｖ４１との差は、（燃料電池スタック２０１から取り出される電流値×燃料電池スタック２０１のスタック固定抵抗値）で表される。

電流の取り出しが時刻ｔ４２で終了すると、燃料電池スタック２０１から取り出される電流がなくなるので、燃料電池スタック２０１の起電力と燃料電池スタック２０１の見かけ上の電圧が一致することになる。

そこで、燃料電池スタック２０１から電流の取り出しを開始する前後の燃料電池スタック２０１の電圧、電流に基づいて、上記燃料電池スタック２０１のスタック固定抵抗値を算出する。

例えば、図５に示すように、先の実施例１で説明したと同様に取り出し電流を取り出し開始後徐々に減少させるようにした場合に、電流を取り出す直前のスタック電圧Ｖ５１と、電流の取り出し直後のスタック電圧Ｖ５２とを電圧センサ２２１で測定し、予め設定された取り出し開始時の取り出し電流Ｉ５１を電流センサ２２２で測定し、これらの測定値に基づいて、以下に示すようにスタック固定抵抗値Ｒ５１を算出する。

（数１）
スタック固定抵抗値Ｒ５１＝（Ｖ５１−Ｖ５２）／Ｉ５１
このようにして求めたスタック固定抵抗値に基づいて、電流の取り出しを終了したときのスタック電圧を推定することが可能である。例えば図５において、電流の取り出しを開始した後、時刻ｔ５１での取り出し電流がＩ５２（＜Ｉ５１）とすると、（Ｒ５１×Ｉ５２）で表される電圧、予め実験等で求められる燃料電池スタック２０１の固有の戻り電圧Ｖ５６、ならびに時刻ｔ５１のスタック電圧Ｖ５３とに基づいて、時刻ｔ５１で電流の取り出しを終了したときのスタック電圧が推定される。すなわち、時刻ｔ５１で電流の取り出しを終了したときのスタック電圧は、Ｖ５３＋（Ｒ５１×Ｉ５２）＋Ｖ５６として推定される。

例えば、燃料電池スタック２０１の１セルにおいて、Ｉ５１を０．７Ａ程度、Ｖ５１を１Ｖ程度、Ｖ５２を０．７Ｖ程度とすると、スタック固定抵抗値Ｒ５１＝０．３／０．７＝０．４Ω程度と推定される。時刻ｔ５１を１０秒程度とし、そのときのＩ５２を０．６６Ａ程度とすると、Ｒ５１×Ｉ５２＝０．２６４Ｖ程度となり、Ｖ５６を０．１５Ｖ程度とし、時刻ｔ５１のスタック電圧Ｖ５３が０．４５Ｖ程度とすると、時刻ｔ５１でのスタック電圧は、Ｖ５３＋（Ｒ５１×Ｉ５２）＋Ｖ５６＝０．４５＋０，２６４＋０．１５＝０．８６４Ｖ程度と推定される。

ここで、燃料電池スタック２０１のスタック劣化電圧Ｖ５２を０．７Ｖ程度とすると、時刻ｔ５１で電流の取り出しを終了した場合には、推定されたスタック電圧（０．８６４Ｖ程度）はスタック劣化電圧Ｖ５２（０．７Ｖ程度）を越えてしまうことになり、時刻ｔ５１で電流の取り出しを止めた場合には、燃料電池スタック２０１の劣化を招くことになる。

そこで、時刻ｔ５２で電流の取り出しを止めずに取り出しを継続し、時刻ｔ５２（＞ｔ５１）における取り出し電流をＩ５３（＜Ｉ５２）とし、そのときのスタック電圧をＶ５４（＜Ｖ５３）とすると、時刻ｔ５２でのスタック電圧は、上述したと同様に、Ｖ５４＋（Ｒ５１×Ｉ５３＝Ｖ５５）＋Ｖ５６として推定される。

例えば、時刻ｔ５２を４０秒程度とし、そのときのＩ５３を０．５Ａ程度とすると、Ｖ５５＝Ｒ５１×Ｉ５３＝０．２Ｖ程度となり、時刻ｔ５２でのスタック電圧Ｖ５４が０．３５Ｖ程度すると、時刻ｔ５２で電流の取り出しを止めたときのスタック電圧は、Ｖ５４＋（Ｒ５１×Ｉ５３＝Ｖ５５）＋Ｖ５６＝０．３５＋０，２＋０．１５＝０．７Ｖ程度と推定される。これにより、時刻ｔ５２で電流の取り出しを終了した場合には、スタック電圧はスタック劣化電圧を越えることは回避される。

このように、スタック固定抵抗値と、取り出し電流とそのときのスタック電圧とに基づいて、電流の取り出しを止めたときのスタック電圧を推定することが可能になるので、推定したスタック電圧に基づいて、電流の取り出し終了タイミングを的確に判断することができる。これにより、最適なタイミングで電流の取り出しを終了することができるので、電流の取り出しを終了したときに、スタック電圧がスタック劣化電圧を上回ることが回避され、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。さらに、スタック電圧が低くなりすぎてカソード電極の酸素が過剰に消費されることは回避され、アイドルストップ状態から復帰して発電が再開できるまでの復帰時間を短くすることが可能となり、燃料電池車両の動力性能を高めることができる。

また、取り出し電流値を調整制御することで、電流の取り出しを終了したときのスタック電圧を上記不具合を招くことがない最適な電圧に制御することが可能となる。これにより、燃料電池スタックの劣化や酸素の過剰消費の防止、ならびに電流取り出し時間の短縮化の双方を満足させることができる。

さらに、スタック固定抵抗値を上述したように算出することで、スタック固定抵抗値を精度よくかつ簡便に求めることができ、スタック固定抵抗値を求めるためのマップやテーブル等を用意して備える必要はなくなる。また、スタック固定抵抗値は、燃料電池システムの動作環境により変化するので、アイドルストップに移行する毎に求めるようにすることで、スタック固定抵抗値を精度よく求めることができ、上述した電流の取り出し制御を精度よく行うことができる。

次に、この発明の実施例３について説明する。この実施例３の特徴とするところは、図３（ｇ）に示すように、取り出し電流を予め設定された一定として電流の取り出しを行い、予め設定された目標スタック電圧までスタック電圧を低下させ、スタック電圧が目標スタック電圧に達した時点で電流の取り出しを終了するようにしたことにあり、他は先の実施例２と同様である。

図３（ｆ）、同図（ｇ）に示すように、時刻ｔ３１において一定電流値で電流の取り出しを開始し、同図（ｆ）に示す電流取り出し直後のスタック電圧の降下量ｄ３と取り出し電流値に基づいて、先の実施例２と同様にスタック固定抵抗値を算出する。算出したスタック固定抵抗値と取り出し電流値とに基づいて、電流の取り出しを止めたときのスタック電圧の戻り量を推定し、推定した同図（ｆ）に示すスタック電圧の戻り電圧量ｕ３だけスタック電圧が上昇した場合であっても、スタック電圧がスタック劣化電圧を越えないと判断した場合、すなわちスタック電圧が目標スタック電圧に達したときに電流の取り出しを終了するようにしている。

例えば、図６に示すように、一定電流値で電流の取り出しを行った場合に、電流を取り出す直前のスタック電圧Ｖ６１と、電流の取り出し直後のスタック電圧Ｖ６２とを電圧センサ２２１で測定し、予め設定された取り出し電流Ｉ６１を電流センサ２２２で測定し、これらの測定値に基づいて、先の実施例２と同様に、（Ｖ６１−Ｖ６２）／Ｉ６１でスタック固定抵抗値Ｒ６１を算出する。例えば、燃料電池スタック２０１の１セルにおいて、Ｖ６１を１Ｖ程度、Ｖ６２を０．３Ｖ程度、Ｉ６１を０．７Ａ程度とすると、スタック固定抵抗値Ｒ６１は０．４Ω程度と推定される。

次に、算出したスタック固定抵抗値Ｒ６１に基づいて、電流の取り出しを終了する目標スタック電圧を算出する。取り出し電流値は一定であるので、この電流値で電流を取り出している間は、（Ｒ６１×Ｉ６１＝Ｖ６４）で表される電圧と、先の実施例２のＶ５６と同様な燃料電池スタック２０１の固有の戻り電圧Ｖ６５との和で、電流の取り出しを止めたときにスタック電圧が戻る戻り電圧量が算出できる。すなわち、スタック電圧の戻り電圧量は、（Ｒ６１×Ｉ６１＝Ｖ６４）＋Ｖ６５として算出される。例えば、Ｖ６５を０．１５Ｖ程度とすると、スタック電圧の戻り電圧量は、０．４×０．７＋０．１５＝０．４３Ｖ程度となる。

上記一定の電流Ｉ６１で電流の取り出しを行っているときに、電流の取り出しを止めると、現在のスタック電圧にかかわらず常に上記算出した戻り電圧量（Ｖ６４＋Ｖ６５）だけスタック電圧は上昇することになる。したがって、先の実施例２で説明したスタック劣化電圧Ｖ６２から上記戻り電圧量を差し引いた電圧、もしくはこの電圧よりも多少低い電圧を目標スタック電圧Ｖ６３に設定する。例えば、Ｖ６２を０．７Ｖ程度とすると、Ｖ６３は（０．７−０．４３）＝０．２７Ｖ程度となる。

そして、電流の取り出しとともにスタック電圧が低下し、低下したスタック電圧が目標スタック電圧に達したときに、電流の取り出しを終了する。図６において、例えば時刻ｔ６１において、スタック電圧が目標スタック電圧Ｖ６３に達すると、電流の取り出しを終了する。このときに、スタック電圧の戻り電圧量は（Ｖ６４＋Ｖ６５）となるが、上述したように目標スタック電圧を設定しているので、時刻ｔ６１で電流の取り出しを止めても、スタック電圧がスタック劣化電圧Ｖ６２を上回ることは回避され、かつスタック電圧がスタック劣化電圧に比べて大幅に下がり過ぎることも回避できる。

したがって、上記実施例３においては、先の実施例２と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施例３では、取り出し電流を一定としたが、先の実施例２で説明したように取り出し電流を徐々に低下させたり、もしくはステップ的減少させてもよく、同様の効果を得ることができる。

次に、この発明の実施例４について説明する。この実施例４の特徴とするところは、上述したスタック固定抵抗値を温度補正するようにしたことにあり、他は先の実施例２、３と同様である。

スタック固定抵抗値は、燃料電池システムの動作環境、特に温度により変動するパラメータである。また、アイドルストップの時間が比較的長くなった場合等、上述したようにしてスタック固定抵抗値を推定した時点と、推定したスタック固定抵抗値を用いて電流の取り出し制御を行う時点との間に多少の時間差が生じる場合には、その間に燃料電池スタック２０１の温度が変化する可能性があり、これによりスタック固定抵抗値が多少変動する可能性がある。

そこで、図７に示すような、燃料電池スタック２０１の温度変化量とスタック固定抵抗値の温度補正係数との関係を予め実験等により求めて用意する。そして、スタック固定抵抗値を推定した時点と、実際にスタック固定抵抗値を用いて電流の取り出しを制御するときに、温度センサ２２３で燃料電池スタック２０１の温度を測定し、測定した両温度の温度差に基づいて、図７に示す関係を参照して、スタック固定抵抗値を推定したときの値に温度補正係数を掛けて温度補正を行う。このようにして温度補正されたスタック固定抵抗値を用いて、先の実施例２、３で説明したように電流の取り出し制御が行われる。

長時間のアイドルストップを行った場合に、燃料電池スタック２０１の温度が大きく変化してしまう可能性があり、この変化を見込まずにアイドルストップ状態から復帰すると、目標としたスタック電圧に対して実際のスタック電圧がずれてしまう可能性あるが、上記実施例４においては、電流の取り出し制御を精度よく行うことができるようになり、上記不具合を防止することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 取り出し電流とスタック電圧との関係を示す図である。 電流取り出しを行った際の、燃料電池スタックの実際の起電力と見かけ上のスタック電圧との関係を示す図である。 実施例２に係る取り出し電流とスタック電圧との関係を示す図である。 実施例３に係る取り出し電流とスタック電圧との関係を示す図である。 スタック電圧の温度変化量と温度補正係数との関係を示す図である。

符号の説明

１０１…車両本体
１０２…燃料電池システム
１０３…インバータ
１０４…駆動モータ
１０５…駆動輪
１０６…車速センサ
１０７…２次電池
１０８…リレー
１０９…制御コントローラ
１１１…シフト位置センサ
１１２…ブレーキセンサ
１１３…アクセル開度センサ
１１４…電圧センサ
１１５…電流センサ
２０１…燃料電池スタック
２０２…水素タンク
２０３…水素調圧弁
２０４…エゼクタ
２０５…水素循環配管
２０６…水素循環ポンプ
２０７…水素供給配管
２０８…水素圧力センサ
２０９…水素濃度センサ
２１０…パージ弁
２１１…パージ配管
２１２…空気コンプレッサ
２１３…空気調圧弁
２１４…空気供給配管
２１５…排気管
２１６…空気圧力センサ
２１７…冷却水ポンプ
２１８…ラジエタ
２１９…冷却水配管
２２０…冷却水温度センサ
２２１…電圧センサ
２２２…電流センサ
２２３…温度センサ
２２４…システム制御部

Claims (8)

1. 燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われ、アイドルストップに移行する際に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池スタックから電流を取り出し、前記燃料電池スタックのカソード電極に残留する酸化剤ガスを消費して前記燃料電池スタックのスタック電圧を低下させた後、前記燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、
   アイドルストップに移行する毎に、電流の取り出しを開始する前後の前記燃料電池スタックの電圧、電流に基づいてスタック固定抵抗値を求め、前記スタック固定抵抗値と、現在前記燃料電池スタックから取り出している取り出し電流とに基づいて、この取り出し電流で前記燃料電池スタックから電流を取り出しているときに電流の取り出しを終了した場合の前記燃料電池スタックのスタック電圧を推定し、推定したスタック電圧に基づいて電流の取り出しを終了するか否かを判断する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記スタック固定抵抗値と、前記取り出し電流と、前記燃料電池の固有の戻り電圧とに基づいて、電流の取り出しを終了した場合の前記燃料電池スタックのスタック電圧を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われ、アイドルストップに移行する際に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池スタックから電流を取り出し、前記燃料電池スタックのカソード電極に残留する酸化剤ガスを消費して前記燃料電池スタックのスタック電圧を低下させた後、前記燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、
   アイドルストップに移行する毎に、電流の取り出しを開始する前後の前記燃料電池スタックの電圧、電流に基づいてスタック固定抵抗値を求め、前記スタック固定抵抗値と、現在前記燃料電池スタックから取り出している取り出し電流とに基づいて、電流の取り出しを終了する目標スタック電圧を設定し、前記燃料電池スタックのスタック電圧が前記目標スタック電圧に達したときに電流の取り出しを終了する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記スタック固定抵抗値と、前記取り出し電流と、前記燃料電池の固有の戻り電圧とに基づいて、電流の取り出しを終了する目標スタック電圧を設定する
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックから電流を取り出す際に、電流の取り出し開始時から取り出し終了時にかけて取り出し電流の電流値を低下させる
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックから電流の取り出しを開始する際に、電流の取り出し開始直前の前記燃料電池スタックの第１のスタック電圧と、電流の取り出し開始直後の前記燃料電池スタックの第２のスタック電圧と、電流取り出し開始時の取り出し開始電流とに基づいて、前記燃料電池スタックのスタック固定抵抗値を算出する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記スタック固定抵抗値は、（前記第１のスタック電圧−前記第２のスタック電圧）／前記取り出し開始電流として算出する
   ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記スタック固定抵抗値は、前記燃料電池スタックの温度に基づいて補正される
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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