JP5161656B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アイドル停止制御を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムを搭載した車両においては、燃費改善を目的として、車速・出力・ブレーキ操作などの状態に応じて、アイドル停止（アイドリングストップ）を許可する技術が提案されている。このようなアイドル停止においては、例えば、燃料電池に対するエアの供給を停止して燃料電池の発電を停止することが提案されている。

ところで、燃料電池システムを搭載した車両では、高濃度の水素が車外に排出されないように水素オフガスを希釈して排出する希釈ボックスを備えたものがあるが、アイドル停止時に直ちに空気の供給を停止すると、希釈ボックス内に溜まった水素オフガスが充分に希釈されずに車外に排出されることがある。そこで、充分に希釈をして排出する技術として、希釈ボックス内の水素濃度に応じてアイドル停止を許可するか否かを判定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−８０５６２号公報（請求項１）

しかしながら、アノードの圧力制御にカソード圧からの信号圧を用いる燃料電池システムでは、アイドル停止の際に空気の供給が停止したときに、信号圧配管の内部には圧力が残ったままになっていたので、エア供給停止後にアノード圧力が上昇してしまい、極間差圧（「アノード圧力」−「カソード圧力」）を守れるように制御することが困難であった。つまり、エア供給停止後のアノード圧力の上昇分を考慮して、アノード圧力を低い状態になるまで低下させてからエア供給を停止する必要があるため、アイドル停止要求からアイドル停止するまでに時間がかかるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、アイドル停止要求からアイドル停止までの時間を短縮できる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノード流路にアノードガスが、カソード流路にカソードガスがそれぞれ供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード流路にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記カソード流路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、カソードガス圧力を信号圧として、前記アノードガス供給手段から前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータにカソードガスを前記信号圧として導入する信号圧配管と、作動することにより前記信号圧を低下させ、前記アノードガス圧力を低減する逃がし弁と、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合して希釈し、システム外に排出する希釈手段と、システムのアイドル停止要求を出力するアイドル停止要求手段と、前記希釈手段から排出される前記アノードオフガス中のアノードガス濃度を推定する排出アノードガス濃度推定手段と、前記アイドル停止要求手段によりアイドル停止する準備を行うアイドル停止準備手段と、前記アイドル停止準備手段によりアイドル停止準備が完了した際にアイドル停止の許可を出力するアイドル停止許可手段と、前記アイドル停止許可手段によりアイドル停止が許可された際にアイドル停止を実行するアイドル停止実行手段と、を有する燃料電池システムであって、前記アイドル停止準備手段は、前記アイドル停止要求により前記逃がし弁を作動させることで開弁させた状態で前記カソードガス供給手段から前記希釈手段へ供給するカソードガスを増量および増圧させ、前記アイドル停止許可手段は、前記排出アノードガス濃度推定手段により前記アノードガス濃度が所定濃度以下と判定したときに前記カソードガス供給手段からのカソードガスの供給を停止し、その後、前記カソードガス圧力が所定値以下と判定したときに前記逃がし弁の作動を停止させることで閉弁させ、アイドル停止を許可することを特徴とする。

これによれば、カソードガスの流量がなくなるまで逃がし弁を作動させることにより、信号圧配管内のカソードガス圧力を予め低下させておくことができるので、従来のようにアイドル停止許可後の信号圧配管内の残留圧力によるアノードガス圧力上昇を抑制でき、アイドル停止要求からアイドル停止までの時間を短縮することが可能になる。これにより、アノードガス圧力が高い状態からアイドル停止が可能になるため、アイドル停止の頻度を高めることができ、燃費の向上を図ることができる。
また、アイドル停止許可時にアノードガス圧力が上昇するのを防止することが可能になる。また、高濃度のアノードガスがシステム外に排出されるのを防止することができる。また、アノードガスの希釈を促進することができるので、希釈処理の時間を短縮できるようになって、アイドル停止の頻度を高めることが可能になる。なお、所定値とは、例えば大気圧程度であり、カソードガス圧力によりレギュレータが開かない程度の圧力を意味している。

請求項２に係る発明は、前記アイドル停止準備手段により増加したカソードガスの流量に基づいて増加した発電量を算出する増加発電量算出手段を有し、前記アイドル停止準備手段は、前記増加発電量算出手段により算出された発電量に基づいて前記燃料電池から負荷へ供給する電力量を増加させることを特徴とする。これによれば、燃料電池が高電位状態になることを防止でき、燃料電池の劣化を抑制することが可能になる。

請求項３に係る発明は、アノード流路にアノードガスが、カソード流路にカソードガスがそれぞれ供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード流路にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記カソード流路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、カソードガス圧力を信号圧として、前記アノードガス供給手段から前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータにカソードガスを前記信号圧として導入する信号圧配管と、作動することにより前記信号圧を低下させ、前記アノードガス圧力を低減する逃がし弁と、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合して希釈し、システム外に排出する希釈手段と、を備え、システムのアイドル停止要求によりアイドル停止する準備を行い、アイドル停止準備が完了した際にアイドル停止の許可を出力してアイドル停止を実行する燃料電池システムの制御方法であって、前記アイドル停止要求により、前記逃がし弁を作動させることで開弁させた状態で前記カソードガス供給手段から前記希釈手段へ供給するカソードガスを増量および増圧させるアイドル停止準備ステップと、前記希釈手段から排出される前記アノードオフガス中のアノードガス濃度が所定濃度以下となったときに前記カソードガス供給手段からのカソードガスの供給を停止し、その後、前記カソードガス圧力が所定値以下となったときに前記逃がし弁の作動を停止させることで閉弁させてアイドル停止を許可するアイドル停止許可ステップと、を含むことを特徴とする。

これによれば、カソードガスの流量がなくなるまで逃がし弁を作動させることにより、信号圧配管内のカソードガス圧力を予め低下させておくことができるので、従来のようにアイドル停止許可後の信号圧配管内の残留圧力によるアノードガス圧力上昇を抑制でき、アイドル停止要求からアイドル停止までの時間を短縮することが可能になる。これにより、アノードガス圧力が高い状態からアイドル停止が可能になるため、アイドル停止の頻度を高めることができ、燃費の向上を図ることができる。
また、アイドル停止許可時にアノードガス圧力が上昇するのを防止することが可能になる。また、高濃度のアノードガスがシステム外に排出されるのを防止することができる。また、アノードガスの希釈を促進することができるので、希釈処理の時間を短縮できるようになって、アイドル停止の頻度を高めることが可能になる。なお、所定値とは、例えば大気圧程度であり、カソードガス圧力によりレギュレータが開かない程度の圧力を意味している。

本発明の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、アイドル停止要求からアイドル停止までの時間を短縮できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態におけるアイドル停止制御を示すフローチャート、図３は本実施形態の燃料電池システムの動作例を示すタイムチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池システム１を車両（燃料電池自動車）に搭載した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶や航空機など、家庭用や業務用の据え置き型のものなどあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、高圧水素タンク２０、レギュレータ２２、エアコンプレッサ３０、信号圧配管３１、インジェクタ（逃がし弁）３２、希釈装置４０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）５０などで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を有し、このＭＥＡを一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層して構成したものである。また、アノードに対向するセパレータには、水素（アノードガス）が流通するアノード流路１０ａが形成され、カソードに対向するセパレータには、空気（カソードガス）が流通するカソード流路１０ｂが形成されている。なお、図示していないが、セパレータには、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｂの他に、燃料電池１０を冷却する冷媒が流通する流路が形成されている。

この種の燃料電池１０では、発電時において、高圧水素タンク２０からアノード流路１０ａに水素が供給され、エアコンプレッサ３０からカソード流路１０ｂに空気（酸素）が供給されると、アノードでは触媒の作用により水素から電子が分離して、電子が負荷６０を通ってカソードに移動するとともに水素イオン（プロトン）が固体高分子電解質膜を介してカソードに透過し、カソードでは触媒の作用により水素イオンと電子と空気中の酸素との反応により水が生成される。

前記高圧水素タンク２０は、高純度の水素を高い圧力で充填した容器であり、配管ａ１を介して遮断弁２１と接続されている。遮断弁２１は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、配管ａ２を介してレギュレータ２２と接続されている。

前記レギュレータ２２は、高圧水素タンク２０から供給される高圧の水素を所定圧に減圧する機能を有し、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード流路１０ａの入口と接続されている。また、レギュレータ２２は、信号圧配管３１と接続され、燃料電池１０のエア圧力（カソードガス圧力）が信号圧として入力され、この入力されるエア圧力に応じて水素圧力（アノードガス圧力）が調整されるようになっている。

また、燃料電池１０のアノード流路１０ａの出口は、配管ａ４を介してパージ弁２３と接続されている。また、配管ａ３と配管ａ４には、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０のアノード流路１０ａの入口に戻して再循環させる配管ａ５が接続されている。なお、図示していないが、配管ａ３における配管ａ４の合流部分に、水素を循環させるためのエゼクタが設けられている。これにより、燃料（アノードガス）としての水素を効率的に利用することができる。

前記パージ弁２３は、例えば定期的に開弁することにより、アノード循環経路（配管ａ３〜ａ５、アノード流路１０ａ）に蓄積した不純物を排出するとともに新鮮な水素を燃料電池１０に導入できるようになっている。なお、不純物とは、カソードから固体高分子電解質膜を介してアノードに透過した生成水、空気に含まれる窒素などである。

前記エアコンプレッサ３０は、燃料電池１０に供給されるエアの流量を調整する機能を有し、配管ｃ１を介して燃料電池１０のカソード流路１０ｂの入口と接続されている。配管ｃ１には、前記レギュレータ２２に接続された信号圧配管３１の上流側の端部が接続されている。例えば、車両に設けられたアクセルペダルのスロットル開度が増加すると、エアコンプレッサ３０のモータ回転数（回転速度）が増加して、レギュレータ２２に入力される信号圧が増加するようになっている。

前記信号圧配管３１は、燃料電池１０のカソード側のエア圧（カソードガス圧力）を信号圧としてレギュレータ２２に入力する流路であり、オリフィス３１ａを介して配管ｃ１と接続されている。このオリフィス３１ａを設けることにより、レギュレータ２２に入力される信号圧が大きく変動しないようになっている。

前記インジェクタ３２は、レギュレータ２２とオリフィス３１ａとの間の信号圧配管３１から分岐して大気（車外）と連通する大気開放配管３２ａに設けられている。また、インジェクタ３２は、例えば電磁作動式や圧電素子作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、時間当たりの開弁時間（ＰＷＭ信号のデューティ比）を変化させることにより、信号圧を調整できるようになっている。例えば、時間当たりの開弁時間を長く（デューティ比を大きく）することにより、信号圧配管３１内の空気を大気放出してレギュレータ２２に入力される信号圧を低下できる。

ちなみに、本実施形態では、「逃がし弁」はＰＷＭ信号によりＯＮ／ＯＦＦ作動するインジェクタ３２であるが、インジェクタ３２は「逃がし弁」のほんの一例であり、種々のタイプの弁を「逃がし弁」として採用することができる。また、「逃がし弁」をインジェクタ３２とは別個に、例えば信号圧配管３１や大気開放配管３２ａに設けてもよい。つまり、本実施形態では、インジェクタ３２に、信号圧（信号圧配管３１の内部の圧力）を微調整可能な「圧力調整弁」としての機能、かつ、信号圧配管３１の内部の圧力を低減させる「逃がし弁」としての機能を持たせているが、「逃がし弁」としての機能をインジェクタ３２とは別の弁に持たせてもよい。

なお、燃料電池１０のカソード流路１０ｂの出口は、配管ｃ２を介してエア背圧弁３３と接続されている。このエア背圧弁３３は、バタフライ弁などの開度調整可能な弁で構成され、カソード流路１０ｂのエア圧力（カソードガス圧力）を調整する機能を有する。また、図示していないが、燃料電池１０とエアコンプレッサ３０との間の配管ｃ１には、エアコンプレッサ３０で圧縮された空気を加湿する加湿器が設けられている。

前記希釈装置４０は、燃料電池１０のアノード側から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を希釈して排出する機能を有し、導入されたアノードオフガスを、カソードオフガス（主に空気）で混合して希釈する空間を有している。なお、希釈ガスとしてはカソードオフガスのみに限定されず、カソードオフガスとともに燃料電池１０に供給される前の空気（カソードガス）を導入するようにしてもよい。

前記ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記録したＲＯＭ（Read Only Memory）、各種回路などで構成され、遮断弁２１、パージ弁２３、エアコンプレッサ３０、インジェクタ３２、エア背圧弁３３などと電気的に接続されている。

また、ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１（システム）のアイドル停止要求を出力するアイドル停止要求手段と、アイドル停止要求手段が出力されたときにアイドル停止する準備を行うアイドル停止準備手段と、アイドル停止準備手段によるアイドル停止準備が完了したときにアイドル停止の許可を出力するアイドル停止許可手段と、希釈装置４０から排出されるアノードオフガス中のアノードガス濃度を推定する排出アノードガス濃度推定手段と、を備えている。なお、アイドル停止要求の条件とは、例えば、燃料電池自動車のブレーキペダル（ＢＫＳＷ−ＯＮ、不図示）が踏まれて、燃料電池自動車が停止し（車速ＶＳ＝０）、アクセルペダルがＯＦＦ（スロットル開度＝０）になったときである。

また、ＥＣＵ５０は、エアコンプレッサ３０の上流の大気吸入口に設けられたエア流量センサ５１と接続されている。このエア流量センサ５１は、エアコンプレッサ３０に大気から吸入されるエアの流量を検出する機能を有する。

なお、燃料電池１０は、コンタクタ６１を介して負荷６０と接続されている。なお、負荷６０とは、例えば、走行モータ、蓄電装置（例えば、バッテリ、キャパシタ）、ディスチャージ抵抗などである。コンタクタ６１は、燃料電池１０と負荷６０とを電気的に接続および遮断するスイッチ機能を有する。また、負荷６０とコンタクタ６１との間にはＶＣＵ（Voltage Control Unit）６２が設けられている。このＶＣＵ６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどを含んで構成され、ＥＣＵ５０の制御によって燃料電池１０から取り出す発電電力を制御する機能を有する。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図２および図３を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、図３において、実線が本実施形態における動作例を示し、破線が従来における動作例を示している。なお、燃料電池システム１の起動時（ＩＧ−ＯＮ）には、コンタクタ６１がＯＦＦ（遮断）された状態において、バッテリなどの電力によって、エアコンプレッサ３０が駆動されて図示しない加湿器で加湿された空気が燃料電池１０のカソードに供給され、また、遮断弁２１が開弁されて高圧水素タンク２０から水素が供給され、レギュレータ２２で減圧された水素が燃料電池１０のアノードに供給される。これにより、燃料電池１０のＯＣＶ（Open Circuit Voltage、開回路電圧）が上昇して、ＯＣＶが所定値に達したときにコンタクタ６１がＯＮ（接続）される。また、通常の走行時には、燃料電池１０による発電電力が、走行モータ（負荷６０）やエアコンプレッサ３０などに供給され、また必要に応じてバッテリ（負荷６０）などに充電される。

まず、ステップＳ１００において、ＥＣＵ５０は、アイドル停止要求出力の有無を判断する。アイドル停止要求は、前記で例示したように、ブレーキペダルが踏まれて、車両が停止し、アクセルペダルがＯＦＦのときに出力される。ステップＳ１００において、ＥＣＵ５０は、アイドル停止要求を出力していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１００の処理を繰り返し、アイドル停止要求を出力した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、インジェクタ３２を全開にする（作動させる）。すなわち、インジェクタ３２のソレノイドを連続的に励磁して、時間当たりの開弁時間を最大にすることにより、インジェクタ３２を連続的に開弁した状態にする。これにより、信号圧配管３１内のエア（カソードガス）が大気開放されることによって信号圧が低下し始める。なお、ステップＳ１１０は、本実施形態におけるアイドル停止準備手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１（システム）から排出される水素量（水素濃度）を推定する（排出アノードガス濃度推定手段）。燃料電池システム１から排出される水素量とは、主として希釈装置４０内に蓄積されている水素量であり、パージ弁２３の開弁時間、アイドル停止要求時（Ｓ１００）の車両の運転状態などに基づいて判断することができる。なお、運転状態とは、燃料電池１０から負荷６０に供給される発電電力（発電電流）を意味している。例えば、急な上り坂の途中で停止してアイドル停止に入るようなアイドル停止直前の発電電力が高い場合には、燃料電池１０に供給される水素量が多くなるので排出水素量は多いと判断できる。また、高速走行から急に停止してアイドル停止に入るような場合も同様である。なお、本実施形態において、ステップＳ１２０で推定される排出水素量は、インジェクタ３２の開度や開弁時間、インジェクタ３２からのガス（エア）の放出量には関係ない。

また、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、推定した排出水素量に応じて、後記するステップＳ１３０で、エアを増量、増圧する時間（所定時間）を設定する。すなわち、所定時間は、予め実験等によって求められ、排出水素量が多くなるにつれて、増量、増圧する時間を長く設定するマップに基づいて判断される。

ステップＳ１３０において、ＥＣＵ５０は、エアコンプレッサ３０のモータの回転数（回転速度）を増加させて、希釈装置４０に供給されるエアを増量、増圧する。なお、エアの増量増圧値は、例えば、予め設定された回転数（回転速度）までエアコンプレッサ３０の出力を増加させることによって行われる。このようにエアを増量、増圧することにより、希釈装置４０内に残留している水素の希釈を促進することができる。これにより希釈装置４０内の水素は、所定の水素濃度以下に希釈されて、車外（システム外）に排出される。このステップＳ１３０は、本実施形態におけるアイドル停止準備手段が実施する処理に相当する。なお、時間に限定されるものではなく、流量センサ５１を用いて、導入されるエア流量に基づいて判断するようにしてもよい。

そして、ステップＳ１４０において、ＥＣＵ５０は、排出水素の希釈が完了したか否かを判断する。希釈完了の条件としては、ステップＳ１２０で設定された所定時間が経過したか否かによって判断される。また、ＥＣＵ５０は、所定時間が経過しておらず排出水素の希釈が完了していないと判断した場合には（Ｓ１４０、Ｎｏ）、ステップＳ１４０の処理を繰り返し、所定時間が経過して排出水素の希釈が完了したと判断した場合には（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に進む。

なお、水素の希釈促進手段において、希釈装置４０の下流に水素濃度を検出する水素センサを設けて、排出水素量の推定（Ｓ１２０）を行わずに、エアの増量増圧後に水素センサの検出値が所定濃度以下になったと判断したときに、排出水素の希釈が完了したと判断してもよい。

ステップＳ１５０において、ＥＣＵ５０は、エアコンプレッサ３０を停止する。エアコンプレッサ３０を停止することにより、燃料電池システム１のカソード側のエア圧（カソードガス圧力）が低下し始める。なお、エアコンプレッサ３０の停止により、電力の消費が少なくなり、燃費が改善される。また、このとき、ＥＣＵ５０の制御によってエア背圧弁３３が全開にされる。

そして、ステップＳ１６０において、ＥＣＵ５０は、エア圧（カソードガス圧力）が所定値以下になったか否かを判断する。なお、所定値とは、例えば、大気圧であり、エア圧がその値のまま信号圧になったとしても当該信号圧によりレギュレータ２２が開弁しない程度の圧力である。また、エア圧が所定値以下になったかどうかは、例えば、エアコンプレッサ３０を停止してからの時間で判断することができる。なお、この時間は予め実験等で求められ、例えば信号圧が一番高い状態だったとしても十分に下げられる時間に設定される。

ステップＳ１６０において、ＥＣＵ５０は、エア圧が所定値以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０の処理を繰り返し、エア圧が所定値以下になったと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１７０において、ＥＣＵ５０は、インジェクタ３２を閉弁する（作動停止する）。すなわち、インジェクタ３２のソレノイドを非励磁にして、大気開放配管３２ａにおける大気との連通状態を遮断する。

そして、ステップＳ１８０において、ＥＣＵ５０は、アイドル停止許可を出力し、アイドル停止を行う（ステップＳ１９０）。なお、ここでのアイドル停止とは、例えば、燃料電池１０と負荷６０との間に設けられたコンタクタ６１をＯＦＦにして、燃料電池１０と負荷６０との電気的な接続を遮断することであり、これにより燃料電池１０からの電力の取り出しができなくなる（燃料電池１０は発電しなくなる）。

なお、図示していないが、図２のフローにおいて、ＥＣＵ５０は、常にアクセルペダルのスロットル開度や、ブレーキペダルの踏み込み、車速、要求出力などを検出しており、アイドル停止するか、またはアイドル停止を継続するかを判定する処理（割り込み処理）が行われている。

さらに、図３のタイムチャートを参照して説明すると、時刻ｔ１において、アイドル停止要求が出力されると（Ｓ１００、Ｙｅｓ）、インジェクタ３２が全開にされる（Ｓ１１０）。つまり、逃がし弁を作動させる。これにより、信号圧配管３１に残留しているエアが大気開放配管３２ａから放出されて、信号圧が低下し始める。

なお、水素圧（アノードガス圧力）が低下しているのは、燃料電池１０と図示しないディスチャージ抵抗とがＥＣＵ５０の制御によって接続され、燃料電池１０の発電電力が放電（ディスチャージ処理）されているからである。換言すると、アノード内の水素を、ディスチャージ抵抗を負荷６０とした発電により消費させているからである。ちなみに、信号圧を低下させているので、レギュレータ２２を通過する水素の量が少なくなり、水素圧の低下は速くなる。

また同時刻ｔ１において、推定された排出水素量によって（Ｓ１２０）、エアコンプレッサ３０のモータの回転数が高められて、燃料電池１０に供給されるエアが所定時間Ｔの間、増量、増圧される（Ｓ１３０）。なお、エアを増量、増圧したとしても、インジェクタ３２が全開であるので、信号圧は上昇することがなく、図３のように低下していく。ちなみに、時刻ｔ１〜ｔ２において、エア圧が増加しているのに信号圧が低下しているのは、このエア圧の増加に対して、インジェクタ３２からのエアの放出量が多く、かつ、オリフィス３１ａにより流量が制限されているからである。

そして、時刻ｔ２において、排出水素濃度が所定濃度以下となって希釈処理が完了すると（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、エアコンプレッサ３０が停止され（Ｓ１５０）、エア背圧弁３３が全開にされて、エア圧が低下し始める。エアコンプレッサ３０の停止により、燃費の改善が図られる。

時刻ｔ３において、エア圧が所定値以下になると（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、インジェクタ３２を閉弁する（Ｓ１７０、逃がし弁の作動を停止する）。そして、アイドル停止許可を出力して（Ｓ１８０）、アイドル停止（コンタクタ６１のＯＦＦ）を行う（Ｓ１９０）。

本実施形態によれば、エア圧が所定値以下つまりエア圧力が大気圧程度になるまで、またはエア流量がなくなるまでインジェクタ３２を開弁（作動）させて、信号圧配管３１内の圧力を予め低下させておくので、エアコンプレッサ３０を停止したときに、信号圧配管３１内の残留圧力によって水素圧が上昇するのを抑制することができる。その結果、水素圧（アノードガス圧力）が高い状態からアイドル停止に入ることができるため、アイドル停止要求からアイドル停止許可までの時間を短縮することができ、アイドル停止の頻度を高めることができる。これにより、水素の消費量を抑えることができるため、燃費の向上が図れる。

これに対して、図３において破線で示す従来例では、エアコンプレッサ３０の停止と同時にインジェクタ３２を閉弁（作動停止）しているので、信号圧配管３１に残留している圧力の影響で水素圧が上昇してしまい、水素圧が上昇したとしても極間差圧を守れる水素圧まで低下させる必要があり、アイドル停止要求（ｔ１）からアイドル停止許可（ｔ４）まで長い時間を要することになる。

また、本実施形態によれば、アイドル停止要求時にエア流量（エア圧）を上昇させるため、希釈装置４０内などに残留している水素の希釈が促進され、早期に希釈処理を完了でき、アイドル停止の頻度をさらに向上できる。これに対して、図３において破線で示す従来例では、アイドル停止要求時にエア流量（エア圧）を上昇させていないので、希釈処理が完了するまでに時間がかかる。

図４は他の実施形態におけるアイドル停止制御を示すフローチャートである。なお、図２と同様の処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。図４に示すように、ステップＳ１３１において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１３０の処理によって増加したエア流量に基づいて増加した発電量を算出する。すなわち、希釈促進のためにエア流量が増加するため、燃料電池１０の発電可能量が増加する。なお、増加したエア流量は、エア流量センサ５１に基づいて判断される。また、エア流量センサ５１に限定されず、エアコンプレッサ３０のモータ回転数の増加量に基づいて判断してもよい。

そして、ステップＳ１３２において、ＥＣＵ５０は、増加した発電量に基づいて負荷６０に供給する電力量を増加させる。すなわち、ＥＣＵ５０は、ＶＣＵ６２を介して、燃料電池１０から取り出す発電電流を増加させる。なお、ここでの負荷６０とは、例えば、バッテリなどの蓄電装置である。また、蓄電装置に限定されるものではなく、蓄電装置の充電量が十分である場合には、ディスチャージ抵抗（不図示）で放電させるようにしてもよい。このステップＳ１３２が、本実施形態におけるアイドル停止準備手段が実施する処理に相当する。なお、この電力量の増加（Ｓ１３２）は、水素の希釈が完了するまで（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、継続される。

このように、図４に示す実施形態によれば、希釈促進のためにエア流量を増加させて発電量が増加したとしても、燃料電池１０から負荷６０への電力供給量を増加させるため、燃料電池１０が高電位状態となることを防止でき、燃料電池１０（触媒など）の劣化を抑制することが可能になる。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態におけるアイドル停止制御を示すフローチャートである。 本実施形態の燃料電池システムの動作例を示すタイムチャートである。 他の実施形態におけるアイドル停止制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１０ａ アノード流路
１０ｂ カソード流路
２０ 高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２ レギュレータ
３０ エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３１ 信号圧配管
３２ インジェクタ（逃がし弁）
４０ 希釈装置（希釈手段）
５０ ＥＣＵ（アイドル停止要求手段、アイドル停止準備手段、アイドル停止許可手段、排出アノードガス濃度推定手段）

Claims (3)

1. アノード流路にアノードガスが、カソード流路にカソードガスがそれぞれ供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記アノード流路にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記カソード流路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   カソードガス圧力を信号圧として、前記アノードガス供給手段から前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整するレギュレータと、
   前記レギュレータにカソードガスを前記信号圧として導入する信号圧配管と、
   作動することにより前記信号圧を低下させ、前記アノードガス圧力を低減する逃がし弁と、
   カソードオフガスとアノードオフガスとを混合して希釈し、システム外に排出する希釈手段と、
   システムのアイドル停止要求を出力するアイドル停止要求手段と、
   前記希釈手段から排出される前記アノードオフガス中のアノードガス濃度を推定する排出アノードガス濃度推定手段と、
   前記アイドル停止要求手段によりアイドル停止する準備を行うアイドル停止準備手段と、
   前記アイドル停止準備手段によりアイドル停止準備が完了した際にアイドル停止の許可を出力するアイドル停止許可手段と、
   前記アイドル停止許可手段によりアイドル停止が許可された際にアイドル停止を実行するアイドル停止実行手段と、
   を有する燃料電池システムであって、
   前記アイドル停止準備手段は、前記アイドル停止要求により前記逃がし弁を作動させることで開弁させた状態で前記カソードガス供給手段から前記希釈手段へ供給するカソードガスを増量および増圧させ、
   前記アイドル停止許可手段は、前記排出アノードガス濃度推定手段により前記アノードガス濃度が所定濃度以下と判定したときに前記カソードガス供給手段からのカソードガスの供給を停止し、その後、前記カソードガス圧力が所定値以下と判定したときに前記逃がし弁の作動を停止させることで閉弁させ、アイドル停止を許可することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アイドル停止準備手段により増加したカソードガスの流量に基づいて増加した発電量を算出する増加発電量算出手段を有し、
   前記アイドル停止準備手段は、前記増加発電量算出手段により算出された発電量に基づいて前記燃料電池から負荷へ供給する電力量を増加させ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。
3. アノード流路にアノードガスが、カソード流路にカソードガスがそれぞれ供給されて発電を行う燃料電池と、前記アノード流路にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記カソード流路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、カソードガス圧力を信号圧として、前記アノードガス供給手段から前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータにカソードガスを前記信号圧として導入する信号圧配管と、作動することにより前記信号圧を低下させ、前記アノードガス圧力を低減する逃がし弁と、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合して希釈し、システム外に排出する希釈手段と、を備え、システムのアイドル停止要求によりアイドル停止する準備を行い、アイドル停止準備が完了した際にアイドル停止の許可を出力してアイドル停止を実行する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記アイドル停止要求により、前記逃がし弁を作動させることで開弁させた状態で前記カソードガス供給手段から前記希釈手段へ供給するカソードガスを増量および増圧させるアイドル停止準備ステップと、
   前記希釈手段から排出される前記アノードオフガス中のアノードガス濃度が所定濃度以下となったときに前記カソードガス供給手段からのカソードガスの供給を停止し、その後、前記カソードガス圧力が所定値以下となったときに前記逃がし弁の作動を停止させることで閉弁させてアイドル停止を許可するアイドル停止許可ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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