JP5265851B2 - 燃料電池システム及びそのシステムにおけるディスチャージ電力制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムの発電停止時に、燃料電池の電力をディスチャージする燃料電池システム及びそのシステムにおけるディスチャージ電力制御方法に関する。

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。カソード電極において水分が過多状態になると、水詰まり状態を起こすことがあり、そこで、このような燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時に、カソード電極に酸化剤ガスを流通し続け、カソード電極等に付着している生成水等を除去する、いわゆるカソード掃気処理が実施される。

また、燃料電池システムを車両に適用する場合、燃料電池と並列に蓄電装置（二次バッテリ）を搭載してモータを駆動する構成が提案されている。これは、駆動力に応じて燃料電池システムを可変運転する際に、燃料電池システムの応答性をカバーするためと、起動時に燃料電池システムのエアコンプレッサ等の補機に電力を供給するためと、車両減速時のモータ回生エネルギで蓄電装置を充電しそのエネルギを加速時等のアシストに利用することにより燃料電池車両の効率を向上させるため等である。

ところで、燃料電池システムの停止時には、燃料電池構成部品の腐食等を回避するために燃料電池の電極間に電圧が残留しないようにする燃料電池のディスチャージ（放電）処理が必要とされている。このディスチャージ電力を利用して、蓄電装置を充電する技術が提案されている（特許文献１参照）。

この技術では、燃料電池と蓄電装置とがＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され、燃料電池に両反応ガスの供給を停止した後に、燃料電池内部に残留している両反応ガスによって発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータを通じて蓄電装置に充電する。そして、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧を超えている場合にはＤＣ／ＤＣコンバータを降圧モードで動作させ、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧以下になるとＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードで動作させるようにしている。

特開２００４−２５３２２０号公報

しかしながら、実際上、燃料電池のディスチャージを実行する際には、ＥＣＵ、コンタクタ及びＤＣ／ＤＣコンバータ、ダウンバータ等を動作させておく必要があり、上記特許文献２に記載されている技術のように、ディスチャージ電力を全て蓄電装置に充電すると、これら他の電気デバイスの電力は、一時的に、低圧の＋１２［Ｖ］バッテリから持ち出されることになる。この一時的に持ち出される電力は、ディスチャージ処理の前後や次回運転時に補うように燃料電池で発電したり、蓄電装置から供給しなければならないが、その時に、蓄電装置の充放電損失やＤＣ／ＤＣコンバータ、ダウンバータ等コンバータのスイッチング損失が発生するという問題がある。

この問題を図９Ａの模式的タイムチャートで説明すれば、時点ｔ０にて、燃料電池に対する燃料ガスの供給停止を行ったときから蓄電装置の電力（放電電力）によりエアコンプレッサを駆動してカソード掃気処理行う。これにより、蓄電装置の電力は初期電力Ｐ１からカソード掃気に必要な電力Ｐ５が消費された電力Ｐ２となる（Ｐ１＝Ｐ５＋Ｐ２）。このとき、実際にカソード掃気処理を行うためのエアコンプレッサに必要な電力Ｐ６に対して蓄電装置の放電損失・ＤＣ／ＤＣコンバータ損失Ｐ７が発生する（Ｐ５＝Ｐ６＋Ｐ７）。

カソード掃気処理終了後に、ディスチャージ処理でＤＣ／ＤＣコンバータを通じて蓄電装置に対し、燃料電池のディスチャージ電力Ｐ８により充電を行い、この充電によりディスチャージ処理終了時点ｔ２において、蓄電装置の電力はＰ２からＰ３に回復するが、このディスチャージ処理時（蓄電装置へのチャージ処理（充電処理）に蓄電装置の充電損失・ＤＣ／ＤＣコンバータ損失Ｐ９が発生する。そして、この充電の際に、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧より下回ることになった場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードで動作させる。

このように、従来技術に係るディスチャージ処理では、燃料ガスの供給停止時における掃気処理に伴う充放電損失、掃気処理終了後の蓄電装置へのディスチャージに伴う充放電損失、さらにＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧モードで動作させる回路とするための回路規模の増大という問題がある。

この発明は、上記した課題を考慮してなされたものであって、燃料電池システムおける燃料ガス供給停止後の燃料電池のディスチャージ処理における電力の効率的な利用を可能とする燃料電池システム及びそのシステムにおけるディスチャージ電力制御方法を提供することを目的とする。

また、この発明は、燃料電池と蓄電装置間を接続するＤＣ／ＤＣコンバータを小規模にすることを可能とする燃料電池システム及びそのシステムにおけるディスチャージ電力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システム（１０）は、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池の出力を補助するとともに前記燃料電池からＤＣ／ＤＣコンバータ（４４）を通じて充電される蓄電装置（１６）と、前記蓄電装置以外の他の電気デバイス（３６等）とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止要求を検出する発電停止要求検出手段（７０）と、前記発電停止要求が検出された時以降に、前記燃料電池のディスチャージ電力を、前記蓄電装置と前記他の電気デバイスに供給する際、前記他の電気デバイスに優先的に供給するディスチャージ電力制御手段（７０）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、発電停止要求検出手段により燃料電池の発電停止要求を検出したとき（時点ｔ０）以降に、ディスチャージ電力制御手段により燃料電池のディスチャージ電力を、蓄電装置と他の電気デバイスに供給する際、他の電気デバイスに優先的に供給するようにしている。

ディスチャージ電力を他の電気デバイスに優先的に供給するようにすることで、蓄電装置の放電損失、充電損失を低減することができる。すなわち、ディスチャージ電力を全て蓄電装置に充電する技術に比較してエネルギ効率を高くすることができる。

この場合、ディスチャージ電力制御手段は、燃料電池のディスチャージ中に、燃料電池の出力電圧が蓄電装置の電圧に等しい値となったとき（時点ｔ１２）に、燃料電池のディスチャージ電力を蓄電装置以外の他の電気デバイスのみに供給するように構成することで、従来技術のように、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける燃料電池から蓄電装置への電流供給方向で昇圧させる機能が不要となり、ＤＣ／ＤＣコンバータを小規模化（小型軽量化、コストダウン）することができる。

なお、ディスチャージ電力を優先的に供給する他の電気デバイスには、少なくとも燃料電池内部の反応ガスの掃気処理を行う空気供給手段が含まれ、燃料電池のディスチャージ時には、燃料電池のディスチャージ処理と並列に、空気供給手段による掃気処理が行われるようにすることで、掃気処理後にディスチャージ処理を行う従来技術に比較して、蓄電装置の充放電損失及びＤＣ／ＤＣコンバータによる損失を少なくすることができるとともに、発電停止要求を受けた時点から燃料電池システムの停止時点に至るまでの時間を短縮することができる。

また、蓄電装置以外の他の電気デバイスには、エアコンプレッサ等の空気供給手段の他、＋１２［Ｖ］等の低圧バッテリ、ＥＣＵ、コンタクタ（のリレーコイル）、抵抗器負荷等の少なくともいずれかが含まれる。

ここで、ディスチャージ電力制御手段は、燃料電池のディスチャージ電力と蓄電装置の放出電力との和が、空気供給手段で消費される電力と他の電気デバイスで消費される電力の和となるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータによる損失を少なくすることができる。

この発明に係る燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法は、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池の出力を補助するとともに前記燃料電池からＤＣ／ＤＣコンバータ（４４）を通じて充電される蓄電装置（１６）と、前記蓄電装置以外の他の電気デバイス（３６等）とを備える燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法であって、前記燃料電池の発電停止要求を検出する発電停止要求検出ステップと、前記発電停止要求が検出された時（ステップＳ２：肯定）以降に、前記燃料電池のディスチャージ電力を、前記蓄電装置と前記他の電気デバイスに供給する際、前記他の電気デバイスに優先的に供給するディスチャージ電力制御ステップ（ステップＳ４）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、発電停止要求検出ステップで燃料電池の発電停止要求を検出したとき以降に、ディスチャージ電力制御ステップで燃料電池のディスチャージ電力を、蓄電装置と他の電気デバイスに供給する際、他の電気デバイスに優先的に供給するようにしている。

ディスチャージ電力を他の電気デバイスに優先的に供給するようにすることで、蓄電装置の放電損失、充電損失を低減することができる。すなわち、ディスチャージ電力を全て蓄電装置に充電する技術に比較してエネルギ効率を高くすることができる。

この場合、ディスチャージ電力制御ステップでは、燃料電池のディスチャージ中に、燃料電池の出力電圧（ｖｆ）が蓄電装置の電圧（Ｖｂ）に等しい値となったときに、燃料電池のディスチャージ電力を蓄電装置以外の他の電気デバイスのみに供給するように制御する（ステップＳ２２）ことで、従来技術のように、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける燃料電池から蓄電装置への電流供給方向で昇圧させる機能が不要となり、ＤＣ／ＤＣコンバータを小規模化（小型軽量化、コストダウン）することができる。

なお、ディスチャージ電力を優先的に供給する他の電気デバイスには、少なくとも燃料電池内部の反応ガスの掃気処理を行う空気供給手段が含まれ、燃料電池のディスチャージ時には、燃料電池のディスチャージ処理と並列に、空気供給手段による掃気処理が行われるようにすることで、掃気処理後にディスチャージ処理を行う従来技術に比較して、蓄電装置の充放電損失及びＤＣ／ＤＣコンバータによる損失を少なくすることができるとともに、発電停止要求を受けた時点から燃料電池システムの停止時点に至るまでの時間を短縮することができる。

また、蓄電装置以外の他の電気デバイスには、エアコンプレッサ等の空気供給手段の他、＋１２［Ｖ］等の低圧バッテリ、ＥＣＵ、コンタクタ（のリレーコイル）、抵抗器負荷等の少なくともいずれかが含まれる。

ここで、ディスチャージ電力制御ステップでは、燃料電池のディスチャージ電力と蓄電装置の放出電力との和が、空気供給手段で消費される電力と他の電気デバイスで消費される電力の和となるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータによる損失を少なくすることができる。

この発明によれば、燃料電池の発電停止要求を検出したとき以降に、燃料電池から放出されるディスチャージ電力を、蓄電装置と他の電気デバイスに供給する際、他の電気デバイスに優先的に供給するようにしているので、ディスチャージ電力を全て蓄電装置に充電する場合に比較してエネルギ効率を高くすることができる。

また、この発明によれば、燃料電池のディスチャージ中に、燃料電池の出力電圧が蓄電装置の電圧に等しい値となったときに、燃料電池のディスチャージ電力を蓄電装置以外の他の電気デバイスのみに供給するように制御しているので、従来技術のように、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける燃料電池から蓄電装置への電流供給方向で昇圧させる機能が不要となり、ＤＣ／ＤＣコンバータを小規模化（小型軽量化、コストダウン）することができる。

さらに、掃気処理後にディスチャージを行う場合に比較して、蓄電装置の充放電損失及びＤＣ／ＤＣコンバータの損失を少なくすることができる。

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にＤＣ／ＤＣコンバータ４４を通じて接続される蓄電装置１６と、燃料電池１４及びアシスト用の蓄電装置１６の電力により駆動される走行駆動用のモータ１８と、燃料電池１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給システム４２と、燃料電池１４に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサ３６とから構成される。蓄電装置１６としては、キャパシタ等の２次バッテリが用いられる。

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して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

燃料電池１４には、燃料ガス供給システム４２から燃料ガス、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２２と、エアコンプレッサ３６から酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。エアコンプレッサ３６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となった装置（補機）であり、高圧電圧（図１中、端子間電圧Ｖｆ）により駆動される。

燃料電池１４の出力端子２９、３０間には、発電電圧（ディスチャージ時にはディスチャージ電圧という。）である端子間電圧Ｖｆを測定する電圧計１０２が接続されている。

また、燃料電池１４の出力端子２９、３０間に現れる端子間電圧Ｖｆは、燃料電池１４の接続非接続用のコンタクタ（ＦＣコンタクタ）１０４、ダイオード１０６を介し、モータ駆動ユニット（ＰＤＵ：Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）１０８を通じてモータ１８に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の高圧側に供給され、さらにエアコンプレッサ３６に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の低圧側には、蓄電装置１６の接続非接続用のコンタクタ（ＢＡＴコンタクタ）１１０を介して、二次バッテリである数百ボルト程度の高圧の蓄電装置１６が接続されるとともに、ダウンバータ（ＤＶ）１１２を介して＋１２ボルトの低圧のバッテリ１１４が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、燃料電池１４側（モータ１８の回生時におけるＰＤＵ側含む）の端子間電圧Ｖｆを降圧させて蓄電装置１６及びＤＶ１１２側に供給する機能を有するとともに、蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂを昇圧させてＰＤＵ１０８及びエアコンプレッサ３６に供給する機能を有する。端子間電圧Ｖｆを昇圧して端子間電圧Ｖｂとする機能は有していないので、小規模（小型軽量で低コスト）である。

蓄電装置１６の充放電端子１１５、１１６間には、端子間電圧Ｖｂを測定する電圧計１１８が接続されている。

さらに、燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２には、制御装置７０が設けられ、この制御装置７０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７０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としても動作する。この実施形態において、制御装置７０は、発電停止要求検出手段、ディスチャージ電力制御手段、電圧検出手段、コンタクタ切替信号発生手段、各種弁開閉・開度調整手段、計算手段、計時手段（カウンタ・タイマ）等として機能する。

この制御装置７０には、燃料電池車両１２及び燃料電池システム１０の起動信号（始動信号）及び停止要求信号を出力するイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ；ＩＧＮ）７６が接続されている。

なお、図１において、二重線は配管を示し、太い実線は高圧（例えば、数百ボルト）線を示し、一点鎖線は低圧（この実施形態では＋１２ボルト）線を示し、点線は制御線等の信号線を示す。

１２Ｖバッテリ１１４から出力される電圧（電源、電力）＋１２Ｖは、一点鎖線で示す低圧線を介して制御装置７０のＣＰＵ等、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４の電子回路用、ＦＣコンタクタ１０４、ＢＡＴコンタクタ１１０のリレーコイル用、燃料ガス供給システム４２の電磁弁用、エアコンプレッサ３６の電子回路用、電圧計１０２、ＰＤＵ１０８の電子回路用等に利用されていることが分かる。

燃料電池システム１０の通常発電運転時には、制御装置７０による弁制御・コンタクタ制御により、ＦＣコンタクタ１０４及びＢＡＴコンタクタ１１０がオン（クローズ）状態にされ、燃料電池１４のカソード電極にエアコンプレッサ３６から空気（酸素）が供給される一方、アノード電極に燃料ガス供給システム４２から水素ガスが供給されると、アノード電極側で水素がイオン化され、水素イオンが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。この間に発生した電子が外部回路に発電電流Ｉｆとして取り出される。

このようにして、供給される両反応ガスにより燃料電池１４が発電する通常発電運転時に、燃料電池１４から取り出された発電電力Ｉｆ×Ｖｆは、ＦＣコンタクタ１０４及びダイオード１０６を介してＰＤＵ１０８及びエアコンプレッサ３６（のエアコンプレッサ用駆動モータ）に供給されるとともに、余裕があればＤＣ／ＤＣコンバータ４４、ＢＡＴコンタクタ１１０を通じて蓄電装置１６に供給され蓄電装置１６が充電され、さらにＤＶ１１２を通じて１２Ｖバッテリ１１４に供給され１２Ｖバッテリ１１４が充電される。実際上、燃料電池１４の発電運転時及び後述する発電停止時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４及びＤＶ１１２を通じて１２Ｖバッテリ１１４に充電しながらその＋１２Ｖの電力が制御装置７０等の各部に供給される。

上述したように、蓄電装置１６は、制御装置７０の制御下に、主に、燃料電池１４の端子間電圧ＶｆをＤＣ／ＤＣコンバータ４４で降圧した電圧により充電される。そして、燃料電池１４の発電停止時に、蓄電装置１６に蓄えられた電力が優先的ではないが必要に応じてエアコンプレッサ３６に供給されるとともに、次回の氷点下等の低温下起動時に燃料電池１４を暖める図示しないヒータに供給されるように制御され、燃料電池１４の出力を補助（アシスト）する。なお、燃料電池車両１２の減速時に駆動輪からモータ１８に駆動力が伝達されると、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を電気エネルギとして回収することができ、モータ１８側からＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介しても蓄電装置１６に電気エネルギが回生（蓄電）される。

基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２の発電運転停止時の動作の第１実施例について、図２のフローチャート（制御装置７０により実行されるプログラム）及び図３のタイムチャートに基づいて説明する。

ステップＳ１において、上述した燃料電池１４の通常発電動作が行われているとき、ステップＳ２において、イグニッションスイッチ７６がオン状態からオフ状態に切り替えられたかどうかが判定される。

ステップＳ２の判定において、イグニッションスイッチ７６がオン状態からオフ状態に切り替えられたことが確認されたとき（時点ｔ１０）、ステップＳ３において、燃料ガス供給システム４２から燃料電池１４に対する燃料ガスの供給が停止される。

同時に、ステップＳ４において、燃料電池１４から放出されるディスチャージ電力Ｐｄを蓄電装置１６を除く他の電気デバイスに優先的に供給するディスチャージ電力制御が開始される。この実施形態において、ディスチャージ電力Ｐｄが供給される他の電気デバイスには、エアコンプレッサ３６、１２Ｖバッテリ１１４（ＤＣ／ＤＣコンバータ４４、ＤＶ１１２経由）、その１２Ｖバッテリ１１４の＋１２［Ｖ］が供給される制御装置７０、ＦＣコンタクタ１０４及びＢＡＴコンタクタ１１０のリレーコイル、電圧計１０２及び１１８の電子回路、燃料ガス供給システム４２とエアコンプレッサ３６の電磁弁が含まれる。

なお、図３のタイムチャートにおいて、イグニッションスイッチ７６がオン状態からオフ状態に切り替えられた時点ｔ１０において、その時点ｔ１０より前の時点からエアコンプレッサ３６、ＢＡＴコンタクタ１１０、ＦＣコンタクタ１０４、ＤＶ１１２は、動作中｛オン（ＯＮ）状態｝を継続している。

したがって、エアコンプレッサ３６の電力（エアコンプレッサ電力）は、基本的には、時点ｔ１０前には発電用として消費されているが、時点ｔ１０以降時点ｔ１１までは燃料電池１４のカソード掃気処理のために消費される。

図３中のディスチャージ電力Ｐｄとは、燃料電池１４の残留水素ガスと酸化剤ガスによる反応で発生する電力であり、この電力は、残留水素ガスの消費に伴い、時点ｔ１０からの時間の経過とともに、徐々に小さくなる。

＋１２Ｖ消費電力は、時点ｔ１０以降も消費が継続される。

蓄電装置充放電電力とは、蓄電装置１６から出力される電力（放電）、蓄電装置１６に供給される電力（充電）を意味している。この図３例のタイムチャートでは、発電停止要求を検出した時点ｔ１０からエアコンプレッサ３６を駆動するために放電している、時点ｔ１０〜時点ｔ１１まで、蓄電装置１６の放電電力とディスチャージ電力Ｐｄの和でエアコンプレッサ電力Ｐａが賄われている。

ＦＣ端子間電圧Ｖｆは、燃料電池１４の出力電圧であり、時点ｔ１０から時点ｔ１１の間ではほとんど変化しないが、時点ｔ１１に示すように、一旦低下を開始すると徐々に低下していく。蓄電装置端子間電圧Ｖｂとは、蓄電装置１６の出力電圧であり、時点ｔ１０から時点ｔ１１の間では放電に伴い徐々に低下する。

次に、ステップＳ５において、燃料電池１４のカソード掃気処理が完了しているかどうかが判定される。

このカソード掃気処理では、上述したように、エアコンプレッサ３６に電力が供給され、カソード電極の生成水等が除去される。なお、カソード掃気処理の終了判断は、例えば、空気排出口２６の図示しない圧力計における圧力変化の検出、又は時間管理等により行われる。

カソード掃気処理が終了していない場合には、ステップＳ６において、エアコンプレッサ３６の駆動動作が継続される。

次いで、ステップＳ７において、燃料電池１４のディスチャージ処理が終了しているかどうかが判断される。なお、ディスチャージ処理の終了は、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが所定値以下、この図３例では、蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂと等しい電圧になったかどうかで判断される。このようにして、燃料電池１４のカソード掃気処理を行いながら、ディスチャージ処理が行われる。

ディスチャージ処理が終了していない場合、ステップＳ８において、ディスチャージ電力Ｐｄがエアコンプレッサ電力Ｐａより大きいかどうかが判断される。

ディスチャージ電力Ｐｄがエアコンプレッサ電力Ｐａよりも大きい間は、ステップＳ９に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を降圧モードとして、ディスチャージ電力Ｐｄの一部がＢＡＴコンタクタ１１０を通じて蓄電装置１６に充電される一方、ディスチャージ電力Ｐｄがエアコンプレッサ電力Ｐａより小さい場合には、ステップＳ１０において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は昇圧モードとされ、蓄電装置１６の出力電圧Ｖｂが昇圧され燃料電池１４側にエネルギが供給されてエアコンプレッサ３６の駆動が蓄電装置１６のエネルギにより補助される（時点ｔ１０−ｔ１１間参照）。

ステップＳ７の判断において、ディスチャージ電力Ｐｄが取れない状態になったとき、換言すればディスチャージが終了した場合には、時点ｔ１２に対応するステップＳ１１において、ＦＣコンタクタ１０４をオフ状態とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を昇圧モードとし、ステップＳ５の燃料電池１４のカソード掃気処理が終了していない場合には、蓄電装置１６の電力のみによりカソード掃気処理を継続する（図３のタイムチャートには、記載していない処理）。

一方、ステップＳ５において、掃気処理が終了した場合には、ステップＳ１２において、エアコンプレッサ３６を停止させ、オフ状態とする（時点ｔ１１）。

次に、ステップＳ１３において、ディスチャージが終了したかどうかが判断され、ディスチャージ電力Ｐｄが残存している場合には、ステップＳ１４において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を降圧モードに設定し、燃料電池１４のディスチャージ電力Ｐｄにより蓄電装置１６を充電する（時点ｔ１１以降）。

ステップＳ１３において、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂに等しい電圧になった時点ｔ１２で、ディスチャージが終了したと判断する。ステップＳ１５においてＦＣコンタクタ１０４をオフ状態にするとともにＤＣ／ＤＣコンバータ４４の動作を停止させる。

そして、ステップＳ１６において、ＢＡＴコンタクタ１１０をオフ状態として、ディスチャージ電力制御を終了する（時点ｔ１２）。時点ｔ１２以降、燃料電池システム１０がシステム停止状態とされる。

なお、実際上、燃料電池車両１２には、高圧線間に、第２実施例に係る図４に示すように、エアコンプレッサ３６及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４以外に、ＰＤＵコンデンサ（不図示）の放電用の抵抗器１２０が並列的に負荷として接続される燃料電池車両１２Ａとして構成される場合もある。

この第２実施例の場合には、フローチャートは、図５に示すように、図２に示したフローチャート中、ステップＳ８の処理が、ステップＳ８ａの処理に置換される。

また、図３に示したタイムチャートは、図６に示すように、＋１２Ｖ消費電力の波形と蓄電装置充放電電力の波形との間に抵抗器消費電力Ｐｒの波形図が加えられるとともに、蓄電装置充放電電力の波形が、時点ｔ１０−ｔ１２の間で、抵抗器消費電力Ｐｒ分、放電側にずれた波形になる。

すなわち、ステップＳ７でのディスチャージ処理が終了していない場合、ステップＳ８ａにおいて、ディスチャージ電力Ｐｄがエアコンプレッサ電力Ｐａと抵抗器１２０での電力Ｐｒの和｛電力和（Ｐａ＋Ｐｒ）｝より大きいかどうかが判断される（Ｐｄ＞（Ｐａ＋Ｐｒ））。

ディスチャージ電力Ｐｄが電力和（Ｐａ＋Ｐｒ）よりも大きい間は、ステップＳ９に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を降圧モードとして、ディスチャージ電力Ｐｄの一部がＢＡＴコンタクタ１１０を通じて蓄電装置１６に充電される、一方、ディスチャージ電力Ｐｄが電力和（Ｐａ＋Ｐｒ）より小さい場合には、ステップＳ１０において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は昇圧モードとされ、蓄電装置１６の出力電圧Ｖｂが昇圧され燃料電池１４側にエネルギが供給されてエアコンプレッサ３６の駆動が蓄電装置１６のエネルギにより補助される（時点ｔ１０−ｔ１１間参照）。

次に、図７、図８は、図４の抵抗器１２０の負荷を有する燃料電池車両１２Ａに適用される第３実施例のフローチャート及びタイムチャートである。

この第３実施例では、図４に示した燃料電池車両１２Ａにおいて、ディスチャージ中に、ステップＳ２１において、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが、蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂを下回っても（図８の時点ｔ１２参照）、ステップＳ２４においてＢＡＴコンタクタ１１０はオフ状態にするものの（図８の時点ｔ１２参照）、ステップＳ２３において、ディスチャージが終了していない場合には、ステップＳ２２においてＤＣ／ＤＣコンバータ４４を降圧モードにし、ＤＶ１１２、１２Ｖバッテリ１１４を通じてディスチャージ電力Ｐｄを消費させるとともに、抵抗器１２０でディスチャージ電力Ｐｄを消費し、ディスチャージを継続する。

そして、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂよりも低い所定低電圧となったときに、ステップＳ２３が肯定的となりディスチャージが終了する。

次いで、ステップＳ２５において、ＦＣコンタクタ１０４をオフ状態にするとともにＤＣ／ＤＣコンバータ４４の動作を停止させ（図８の時点ｔ１３）、さらに、ステップＳ２６においてＤＶ１１２の動作を終了させてディスチャージ電力制御処理を終了する。

なお、この第３実施例では、ステップＳ５のカソード掃気処理が継続している間は、ステップＳ６でのエアコンプレッサ３６の動作を継続させるためにエアコンプレッサ３６駆動用の高電圧が必要とされる。

そのため、燃料電池１４のカソード掃気処理が継続中に、ステップＳ２７において、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが、蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂを下回っても、ステップＳ１０において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を昇圧モードとし、このＤＣ／ＤＣコンバータ４４により蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂを昇圧して、ステップＳ５のカソード掃気が終了するまで、エアコンプレッサ３６の動作を継続させる。この動作時には、ディスチャージ動作は中断される。

また、ステップＳ２７において、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂよりも高い値である場合には、ステップＳ９に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は降圧モードとされ、蓄電装置１６への充電とディスチャージ処理が並列的に実施される。

以上説明したように、上述した第１〜第３実施例によれば、発電停止要求を検出したとき以降に、燃料電池１４のディスチャージ電力Ｐｄを、蓄電装置１６とエアコンプレッサ３６等の他の電気デバイスに供給する際、エアコンプレッサ３６等他の電気デバイスに優先的に供給するようにしている。このため、ディスチャージの際における蓄電装置１６の放電損失、充電損失を低減することができる。すなわち、ディスチャージ電力Ｐｄを全て蓄電装置１６に充電する技術に比較してエネルギ効率を高くすることができる。

また、第１及び第２実施例では、燃料電池１４のディスチャージ中に、燃料電池１４の端子間電圧Ｖｆが蓄電装置１６の端子間電圧Ｖｂに等しい値となったときに、燃料電池１４のディスチャージ電力Ｐｄを蓄電装置１６以外の他の電気デバイスのみに供給するように構成しているので、従来技術のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４における燃料電池１４から蓄電装置１６への電流供給方向で昇圧させる機能が不要となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を小規模化（小型軽量化、コストダウン）することができる。

なお、ディスチャージ電力Ｐｄを優先的に供給する他の電気デバイスには、少なくとも燃料電池１４内部の反応ガスの掃気処理を行う空気供給手段としてのエアコンプレッサ３６が含まれ、燃料電池１４のディスチャージ時には、燃料電池１４のディスチャージ処理と並列に、エアコンプレッサ３６による掃気処理が行われるようにしているので、掃気処理後にディスチャージ処理を行う従来技術に比較して、蓄電装置１６の充放電損失及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４による損失を少なくすることができるとともに、発電停止要求を受けた時点から燃料電池システム１０の停止時点に至るまでの時間を短縮することができる。

蓄電装置１６以外の他の電気デバイスには、エアコンプレッサ３６の他、１２Ｖバッテリ１１４、ＥＣＵである制御装置７０、ＦＣコンタクタ１０４及びＢＡＴコンタクタ１１０のリレーコイル、抵抗器１２０負荷等の少なくともいずれかが含まれる。

なお、燃料電池１４のディスチャージ電力Ｐｄと蓄電装置１６の放出電力との和が、エアコンプレッサ３６で消費される電力と他の電気デバイスで消費される電力の和となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ４４を制御しているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４による損失を少なくすることができる。

図９Ｂのタイムチャートを参照して、この実施形態の作用効果の一例を説明すれば、時点ｔ０にて、燃料電池１４に対する燃料ガスの供給停止を行ったとき、まず、カソード掃気に必要なエアコンプレッサ電力Ｐ６の全て（図９Ｂの状態）又は一部をディスチャージ電力Ｐ８で賄う。その後、残りのディスチャージ電力Ｐ８で蓄電装置１６を充電することで、時点ｔ１に示すように、図９Ａに示す従来技術に係るディスチャージ処理に比較して短い時間（時間ｔ０−ｔ２が時間ｔ０−ｔ１となる。）で処理が完了し、かつ蓄電装置１６を充電するまでに、充放電損失＋ＤＣ／ＤＣコンバータ損失Ｐ７が１回しか発生しないので、蓄電装置１６に、従来技術に係る充電装置電力Ｐ３に比較して損失Ｐ１０分、余分に電力を充電することができ、システム停止時により大きい充電装置電力Ｐ４を確保することができる。

この発明の実施形態の第１実施例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。 第１実施例の動作説明に供されるフローチャートである。 第１実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 第２、第３実施例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。 第２実施例の動作説明に供されるフローチャートである。 第２実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 第３実施例の動作説明に供されるフローチャートである。 第３実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 図９Ａは、従来技術に係るディスチャージ処理の説明図、 図９Ｂは、この発明の実施形態に係るディスチャージ処理の説明図である。

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…蓄電装置
１８…モータ ３６…エアコンプレッサ
７０…制御装置 ７６…イグニッションスイッチ

Claims (8)

1. 供給される両反応ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力を補助するとともに前記燃料電池からＤＣ／ＤＣコンバータを通じて充電される蓄電装置と、前記蓄電装置以外の他の電気デバイスとを備える燃料電池システムであって、
   前記他の電気デバイスには、少なくとも前記燃料電池内部のカソード電極に付着した生成水を除去する掃気処理を行う空気供給手段が含まれ、
   前記燃料電池の発電停止要求を検出する発電停止要求検出手段と、
   前記発電停止要求が検出された時以降に、前記燃料電池のディスチャージ電力を、前記他の電気デバイスに供給した後、掃気を継続する場合には、前記他の電気デバイスのうち空気供給手段の動作を継続させつつ、さらに前記燃料電池のディスチャージ処理を継続する際、前記ディスチャージ電力が他のデバイスで消費される電力より大きい場合は、前記ディスチャージ電力を前記蓄電装置に供給するディスチャージ電力制御手段と、
   を備え、
   前記ディスチャージ電力制御手段は、前記燃料電池のディスチャージ時には、前記燃料電池のディスチャージ処理と並列に前記空気供給手段による掃気処理を行うように制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ディスチャージ電力制御手段は、
   前記空気供給手段による掃気処理中に、前記燃料電池の出力電圧が前記蓄電装置の電圧を下回った場合は、前記燃料電池のディスチャージ処理を中断し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記蓄電装置の電圧を昇圧して、掃気処理を継続させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ディスチャージ電力制御手段は、
   前記燃料電池のディスチャージ中に、前記燃料電池の出力電圧が前記蓄電装置の電圧を下回ったときに、前記燃料電池のディスチャージ電力を前記他の電気デバイスのみに供給する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ディスチャージ電力制御手段は、
   前記燃料電池のディスチャージ電力と前記蓄電装置の放出電力との和が、前記空気供給手段で消費される電力と前記他の電気デバイスで消費される電力の和となるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 供給される両反応ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力を補助するとともに前記燃料電池からＤＣ／ＤＣコンバータを通じて充電される蓄電装置と、前記蓄電装置以外の他の電気デバイスとを備える燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法であって、
   前記他の電気デバイスには、少なくとも前記燃料電池内部のカソード電極に付着した生成水を除去する掃気処理を行う空気供給手段が含まれ、
   前記燃料電池の発電停止要求を検出する発電停止要求検出ステップと、
   前記発電停止要求が検出された時以降に、前記燃料電池のディスチャージ電力を、前記他の電気デバイスに供給した後、掃気を継続する場合には、前記他の電気デバイスのうち空気供給手段の動作を継続させつつ、さらに前記燃料電池のディスチャージ処理を継続する際、前記ディスチャージ電力が他のデバイスで消費される電力より大きい場合は、前記ディスチャージ電力を前記蓄電装置に供給するディスチャージ電力制御ステップと、
   を有し、
   前記ディスチャージ電力制御ステップでは、前記燃料電池のディスチャージ時には、前記燃料電池のディスチャージ処理と並列に前記空気供給手段による掃気処理を行うように制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法において、
   前記ディスチャージ電力制御ステップでは、
   前記空気供給手段による掃気処理中に、前記燃料電池の出力電圧が前記蓄電装置の電圧を下回った場合は、前記燃料電池のディスチャージ処理を中断し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記蓄電装置の電圧を昇圧して、掃気処理を継続させる
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法。
7. 請求項５又は６に記載の燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法において、
   前記ディスチャージ電力制御ステップでは、
   前記燃料電池のディスチャージ中に、前記燃料電池の出力電圧が前記蓄電装置の電圧を下回ったときに、前記燃料電池のディスチャージ電力を前記他の電気デバイスのみに供給する
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法において、
   前記ディスチャージ電力制御ステップでは、
   前記燃料電池のディスチャージ電力と前記蓄電装置の放出電力との和が、前記空気供給手段で消費される電力と前記他の電気デバイスで消費される電力の和となるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるディスチャージ電力制御方法。

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