JP5319176B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と二次電池とを併用して負荷に電力を供給する燃料電池システムに関し、特に、残容量の低下した二次電池を有効活用する燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池（Fuel Cell：ＦＣ）と二次電池とを並列接続して負荷に電力を供給する電源方式を用いた燃料電池システムが普及し始めている。このような燃料電池システムとしては、例えば、車両の駆動源に燃料電池を用いた燃料電池車両が知られている。この種の燃料電池車両は、燃料電池と二次電池（蓄電装置）とを並列接続してモータを駆動させながら走行を行っている。このような用途に用いる燃料電池は、燃料ガス（水素ガス）とエア（酸化剤ガス）との電気化学反応によって発電するため、特に低温状態で発電を停止したときには、燃料電池内の残留水を排出するための掃気を行っている。このような掃気を行うことにより、燃料電池内の残留水が排出されて、燃料電池の始動性を向上させることができると共に、低温時に残留水が凍結して燃料電池に不具合が生じるのを防止することができる。また、燃料ガス（水素ガス）とエア（酸化剤ガス）が存在することで、膜劣化を生じさせる可能性があるため、掃気を行っている。

ところが、このような掃気を行うときの電力は二次電池から供給しているので、二次電池のＳＯＣ（State Of Charge：残容量（残電力））が燃料電池の起動に必要なＳＯＣより低下した場合は、燃料電池の発電エネルギが不足したり、水素漏れ換気用の駆動エネルギを確保したりするために、燃料電池の次回の起動や掃気を禁止したり、非常時に二次電池のみによって走行するＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）走行などを禁止して、二次電池で使用される最小限のエネルギの確保を図っている。すなわち、二次電池のＳＯＣが低下した場合は、二次電池の最小限の電力によって換気手段を駆動させて水素漏れ換気を行うようにしている。

また、燃料電池の氷点下時の起動を保証する技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、燃料電池による通常の発電中において、掃気処理が必要な次回の氷点下起動が予測されるときは、蓄電装置（二次電池）の充電閾値を通常より大きな値に持ち替え、この持ち替えた充電閾値によって蓄電装置を充電することにより、掃気及び次回の氷点下起動に必要な蓄電装置の電力を確保することができるので、掃気を実施して次回の氷点下起動を確実に行うことができる。

特開２００６−１７９４７２号公報（段落番号００２４及び図１参照）

しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、二次電池のＳＯＣが低下したときは、その二次電池の最小限のエネルギを確保して水素漏れ換気等を行うことはできるが、掃気などのデバイス動作が禁止されているため、燃料電池スタックとして掃気が必要な状態（例えば、短時間だけ燃料電池システムを運転した場合になされるいわゆる「ちょいがけ掃気」を行う必要がある状態）でも掃気を行うことができないため、燃料電池の発電安定性が低下し、また、燃料電池スタックの劣化抑制を行うことができないなどの不具合が発生するおそれがある。仮に、燃料電池の掃気を行うためのエネルギが二次電池に残っていても、燃料電池システムの動作機能上、その二次電池を使用して掃気を行うことができない。その結果、例えば燃料電池車両の始動性が悪くなってドライバビリティが損なわれたり、燃料電池スタックの劣化を促進させたり、掃気を行わなかったことに起因して燃料電池の電極膜を破壊させたりして、燃料電池の商品性が損なわれる状態が発生しやすくなる。

また、上記特許文献１の技術においては、次回の氷点下起動を予測して蓄電装置の充電量を通常より増加させ、蓄電装置の増加した電力によって掃気を優先的に行うことによって燃料電池に不具合が生じるのを防止している。しかし、氷点下起動の予測に基づいて蓄電装置の充電量を増加させることによって充電しすぎると、二次電池を劣化させるおそれがある。特に、次回の氷点下起動の予測が外れてアノード掃気を行う必要がなくなった場合は、二次電池のＳＯＣレベルが高い状態で持続されるので、二次電池をさらに劣化させるおそれがある。
また、従来は、燃料電池システムの停止後（イグニッションＯＦＦ後）の放置期間に、なんらかの理由でＳＯＣが低下した場合、対処することができなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蓄電装置（二次電池）のＳＯＣが低下した場合でも、残った電力を有効に活用できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の起動時及び掃気時に使用する電力を蓄電する蓄電装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止後に低下する前記蓄電装置の蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回るか否かを前記燃料電池の発電停止後から掃気の実施前に判定し、前記燃料電池の掃気を実施する場合において前記蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回ると判定しているとき、該燃料電池の次回の起動を禁止して前記蓄電電力を前記燃料電池の掃気に用いる掃気手段をさらに備えることを特徴とする。

このような構成によれば、燃料電池の停止後、蓄電装置の蓄電電力が燃料電池を次回起動するときの起動電力に満たない場合には、蓄電電力を燃料電池の掃気に使用する掃気電力として優先的に確保することができるため、確実に掃気を行って燃料電池を保護することができる。

請求項２に係る発明の燃料電池システムにおいて、前記掃気手段は、前記燃料電池の発電停止後に低下する前記蓄電装置の蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回るか否かを前記燃料電池の発電停止後から掃気の実施前に判定し、前記燃料電池の掃気を実施する場合において前記蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回らないと判定しているとき、掃気停止閾値を次回の起動に必要な起動電力となるように設定して、次回起動に必要な起動電力を確保し、前記蓄電電力から前記掃気停止閾値を引き、前記掃気に使用可能な掃気使用可能電力の大きさを求め、前記掃気使用可能電力の大きさによって掃気の種類を選択して実施することを特徴としている。

このような構成によれば、例えば、蓄電装置の蓄電電力が少ない場合は乾燥掃気を行わないで短時間掃気の液滴掃気を行うことによって起動電力を確保し、燃料電池の次回の起動を確実に行えるようにすることができる。

このような構成によれば、燃料電池の掃気に使用可能な掃気電力の大きさに応じて適切な掃気の種類を選択して最適な掃気を実施することができる。

請求項３に係る発明の燃料電池システムにおいて、前記掃気手段は、前記燃料電池の次回の起動が禁止されている場合に、前記掃気停止閾値を前記蓄電装置の温度により変化させることを特徴としている。

このような構成によれば、掃気電力の下限を蓄電装置の温度によって変化させることにより、蓄電装置の内部抵抗の変化に対応できるため、例えば、掃気のための掃気電力を放電している際の内部抵抗による電力消費により、蓄電装置の蓄電電力が掃気電力の下限値を下回ってしまうことを防止することができるので、蓄電装置を保護することが可能となる。

請求項４に係る発明の燃料電池システムにおいて、前記掃気手段は、前記燃料電池の次回の起動が禁止されている場合に、前記掃気停止閾値を、水素換気を行うために必要な電力に設定し、前記掃気の種類をカソード掃気に選択して実施することを特徴としている。

このような構成によれば、水素換気用電力を確実に確保することができるので、例えば、カソード掃気のみを行った場合でも、水素換気用電力によって水素換気を行えば燃料電池に残留した水素ガスを排出することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、蓄電装置（二次電池）のＳＯＣが低下した場合でも、残った電力を有効に活用できる燃料電池システムを提供することがきる。

《本実施形態の概要》
本実施形態の燃料電池システムは、二次電池（蓄電装置）のＳＯＣが燃料電池の起動に必要なＳＯＣのレベルよりも低下した場合、二次電池の電力を通常起動の発電以外のデバイス作動（例えば、燃料電池の掃気）のエネルギに用いることを特徴としている。これによって、二次電池のＳＯＣが低下しても燃料電池の掃気を確実に行うことができるので、燃料電池の始動性を向上させることができると共に、残留水が排水されるために残留水が凍結するおそれがないので、燃料電池の電極膜などに不具合を生じさせることはなくなる。
以下、本発明に係る燃料電池システムについて、燃料電池車両を例に挙げて実施形態を詳細に説明する。

《第１実施形態》
（燃料電池車両の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池車両の構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池車両１０は、燃料電池１、蓄電装置（二次電池）２、電力分配装置３、インバータなどで構成されるＰＤＵ（Power Drive Unit）４、図示しない車輪を回転駆動させて燃料電池車両１０を走行させる駆動モータ５、燃料電池１へエア（酸化剤ガス）を供給するエアポンプ６、燃料電池１へ供給するための燃料ガス（水素ガス）を充填する水素ボンベ７及び燃料電池車両１０全体の制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit：制御装置）８等を備えて構成されている。

燃料電池車両１０の主要な電力系統は、燃料電池１と蓄電装置２とが電力分配装置３を介して並列に接続され、電力分配装置３から出力された直流電圧がＰＤＵ４によって三相交流電圧に変換されて駆動モータ５を駆動するように構成された系統である。通常は、燃料電池１は蓄電装置２を充電しながら駆動モータ５へ電力を供給しているが、燃料電池１からの供給電力が不足した場合は蓄電装置２から駆動モータ５へ電力を供給する。そして、駆動モータ５の駆動力がトランスミッション（図示せず）を介して駆動輪であるタイヤ（図示せず）に伝達され、車両を走行させるように構成されている。なお、蓄電装置２は高圧バッテリで構成され、リチウム−イオン電池やニッケル水素電池などの単位セルが組み合わされた組電池によって高圧電圧を発生する。

燃料電池１は、複数（例えば、２００〜４００個）の単セル（図示略）が厚み方向に積層されて直列に配列され、剛性の高い筐体に収納されている。この単セルは、特に図示されていないが、それぞれ電解質膜と、その両面にそれぞれ配置されるアノード電極及びカソード電極と、燃料ガス（水素ガス）の流路及び酸化剤ガス（エア）の流路が設けられているセパレータと、を構成要素としている。このように構成される単セルは、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（エア）との電気化学反応により０．７Ｖ程度の起電力を発生すると共に、積層する単セルが直列に配列された燃料電池１は、発電作用によってセル全体として数百Ｖの起電力を出力する。

蓄電装置２は、燃料電池１と並列に接続され、電力分配装置３を介して、燃料電池１から発電電力（ＦＣ出力）を受けることによって充電可能であると共に、駆動モータ５等のメイン負荷に対して電力供給可能な二次電池である。
電力分配装置３は、ＥＣＵ（制御装置）８による出力電力の配分指令に基づいて、駆動モータ５へ供給する燃料電池１と蓄電装置２との出力電力の配分を行う。
ＰＤＵ４は、電力分配装置３から直流電力を入力して３相交流電力に変換して駆動モータ５を駆動させるためのインバータなどの電力変換器である。

駆動モータ５は、トランスミッション（図示せず）を介してタイヤ（図示せず）を回転駆動させて燃料電池車両１０を走行させる駆動力を発生させる駆動源である。なお、燃料電池車両１０の降坂中や減速中においてはタイヤからの逆駆動力によりトランスミッションを介して駆動モータ５の回転速度が変化させられるので、駆動モータ５に回生電力が発生する。この回生電力はＰＤＵ４によって直流電圧に変換され、電力分配装置３を介して蓄電装置２に充電されるように構成されている。

エアポンプ６は燃料電池１へエアを供給するためのエア供給源である。
水素ボンベ７は、内部に充填された水素ガスを燃料電池１へ供給するタンクである。
ＥＣＵ（制御装置）８は、蓄電装置２から電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Tempなどを検出して蓄電装置２のＳＯＣ（残容量）を計算し、そのＳＯＣの値に基づいて、電力分配装置３に対して燃料電池１の出力電力と蓄電装置２の出力電力の配分指令を行う。さらに、ＥＣＵ８は、燃料電池１の発電及び発電停止の制御や燃料電池１の温度を検出して掃気制御を行う。

また、燃料電池１には、エアポンプ６からのエアによって、アノード掃気を行うアノード掃気経路１ａと、カソード掃気を行うカソード掃気経路１ｃが設けられている。さらに、燃料電池車両１０には、エアポンプ６からのエア流路をアノード掃気経路１ａへ開閉するためのバルブ１ｖが設けられている。すなわち、燃料電池１の温度が低い場合には、バルブ１ｖを開にしてアノード掃気経路１ａとカソード掃気経路１ｃの両方にエアを流して、アノード掃気とカソード掃気とを同時に行い、温度が高い場合には、バルブ１ｖを閉にしてアノード掃気経路１ａを遮断してカソード掃気のみを行うようにしている。これらの制御は、ＥＣＵ８が燃料電池１のアノード掃気経路１ａの出口温度を検出しながら行っている。ちなみに、本実施形態では、アノード掃気経路１ａとカソード掃気経路１ｃが特別に設けられているというものではなく、通常のアノードガス通路とカソードガス通路がそれらに流用されるというものである。

〈燃料電池の掃気動作〉
以上のように構成された燃料電池車両１０において、燃料電池１の発電作用によって車両を走行させる通常の動作は周知の技術であるので説明を省略し、以下、本実施形態に係る燃料電池車両１０における車両停止後（イグニッションＯＦＦ後）の動作の詳細を説明する。

図２は、本発明の実施形態の燃料電池車両において、蓄電装置のＳＯＣレベルに応じて掃気種類を変えたときの蓄電装置のＳＯＣ変化の状態を示す特性図である。図２において、横軸は掃気動作及びＦＣ起動動作を行う手順の時間の流れを示し、縦軸は蓄電装置２のＳＯＣレベルを示している。また、各グラフのパラメータは掃気種類ごとの蓄電装置２のＳＯＣ変化の状態を示している。

ここでの掃気の種類には、（１）主として、カソードとアノードに溜まっている液滴を排出するために、エアコンプレッサから比較的大流量の空気をカソードとアノードに供給して行う掃気（以下「液滴掃気」という）、（２）主として、電解膜の内部の水分を除去するために、液滴掃気に続けてエアコンプレッサから比較的小流量の空気をカソードに供給して行う掃気（以下「乾燥掃気」という）、及び（３）カソード掃気の３種類があるものとする。
ちなみに、液滴掃気は、例えばカソード→アノードの順に行う。また、乾燥掃気は液滴掃気が内包されている。また、掃気の種類には、上記以外に、イグニッションＯＦＦ後の１から４時間の間に、燃料電池内の水素を除去することを目的として行う「クールダウン掃気」や、背景技術で説明したイグニッションＯＦＦ後において、短時間だけ燃料電池システムを運転する場合になされる「ちょいがけ掃気」などがある。このちょいがけとは、イグニッションＯＮの後にすぐにイグニッションＯＦＦとするような短時間の起動であり、燃料電池１から蓄電装置２へ発電電流を十分に供給可能となる前に起動終了してしまうような場合である。

図３は、図１の燃料電池車両における第１実施形態の掃気処理の流れを示すフローチャートである。また、図４は、本発明の実施形態の燃料電池車両において掃気種類選択の目安となる掃気種類ごとの掃気使用可能電力を示す特性図である。図４の特性図では、乾燥掃気を行うときの掃気使用可能電力の大きさと、液滴掃気を行うときの掃気使用可能電力の大きさの比較をグラフで示している。なお、カソード掃気を行う場合についての掃気使用可能電力の大きさは図示されていないが、乾燥掃気や液滴掃気を行う場合の掃気使用可能電力より小さい電力を使用する。すなわち、本実施形態においては、各掃気の消費電力の大小関係は次のようになる。
カソード掃気（第２実施形態） ＜ 液滴掃気 ＜ 乾燥掃気
乾燥掃気が最も消費電力が多いのは、乾燥掃気が液滴掃気とセットで行われ、ここでの乾燥掃気には、前記のとおり、液滴掃気を内包するからである。

次に、図２の特性図を参照しながら、図３のフローチャートにしたがって選択された掃気種類ごとに掃気を行う掃気処理の流れを説明する。なお、必要に応じて図１の燃料電池車両の構成図及び図４の掃気種類ごとの掃気使用可能電力特性図を参照することにする。

［特性線（１）の説明］
図２の特性図に示すように、燃料電池車両１０（以下、単に車両という）のイグニション（ＩＧ）をＯＦＦしたときには、蓄電装置２のＳＯＣ（つまり、蓄電電力）は、走行時使用上限Ｖ５（例えば、６０％ＳＯＣレベル）と走行時使用下限Ｖ４（例えば、４０％ＳＯＣレベル）の間の５０％弱のＳＯＣレベルＰ０の状態にあるものとする。なお、請求項で述べる走行時下限電力は、図２に示すＳＯＣレベルの走行時使用下限Ｖ４に相当する。

車両が停止してイグニションがＯＦＦされた後は、例えば１５分間隔で燃料電池１の掃気を行うか否かがチェックされる。したがって、図３のフローチャートにおいて、イグニションＯＦＦ後に掃気を行うか否かが定期的（１５分間隔）に判定され（ステップＳ１）、燃料電池システムの温度が高いために掃気が行われなければ（ステップＳ１でＮｏ）ＳＯＣレベルが図２で示す次回起動禁止閾値Ｖ３以下（ＳＯＣ≦次回起動禁止閾値Ｖ３）であるか否かが判定される（ステップＳ２）。ちなみに、ステップＳ１における「掃気を行う条件に合致？」は、システム温度の低下やイグニッションＯＦＦ後所定時間経過といったあらかじめ決められた条件を判断するものである。なお、ここでの掃気は主として、イグニッションＯＦＦ後に、システム温度（または外気温）を監視して、温度が、例えば５度よりも低下したときに、内部の凍結などによる燃料電池１の不具合を防止することを目的として自動的に開始される掃気である。この図３のフローチャートにおいて、いきなりステップＳ１がＹｅｓになることはまずなく、イグニッションＯＦＦ後に、システム温度が徐々に下がり、つまり、図３のフローチャートが１５分間隔で繰り返して実行されるうちにシステム温度が下がり、ステップＳ１がＹｅｓになる。

ここで、ステップＳ２において、ＳＯＣ≦次回起動禁止閾値Ｖ３でなければ、すなわち、ＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３より高ければ（ステップＳ２でＮｏ）、ステップＳ１に戻って次回（例えば、１５分後）の掃気の実行要否が判定される。一方、ステップＳ２において、ＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３以下（ＳＯＣ≦次回起動禁止閾値Ｖ３）であれば（ステップＳ２でＹｅｓ）、次回起動禁止を確定してフラグＦを立ててＦ＝１とする（ステップＳ３）。ちなみに、次回起動禁止が確定すると、イグニッションをＯＮにしても、燃料電池システムは起動しないが、起動用に使われなくなった分の電力を、後記するステップＳ７（ステップＳ８を経由したステップＳ７）で行う掃気にまわすことができる。

このようにして、ステップＳ１乃至Ｓ３の処理において定期的に掃気の実行可否を判定し、燃料電池システムの温度が例えば５℃以下に下がって掃気を実行する際に（ステップＳ１でＹｅｓ）、フラグＦが立っているか否か（Ｆ＝１か？）が判定される（ステップＳ４）。ここで、フラグＦが立っていなければ（Ｆ＝０であれば）（ステップＳ４でＮｏ）、掃気開始時点におけるＳＯＣレベルは、次回起動禁止閾値Ｖ３より高い状態（すなわち、図２の掃気開始時（時刻ｔ１）においてＳＯＣレベルＰ１１、Ｐ２１の状態）にある。

このようにＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３より高い状態のときは（すなわち、フラグＦが立っていないときは（ステップＳ４でＮｏ））、図２の次回起動禁止閾値Ｖ３を掃気停止閾値Ｖ３と読み替える（ステップＳ５）。そして、その後に掃気種類を選択して（ステップＳ６）、選択された掃気種類によって掃気を実施する（ステップＳ７）。なお、選択できる掃気種類は、前述したように、乾燥掃気、液滴掃気、及びカソード掃気の３種類がある。つまり、フラグが立っておらず、ステップＳ４でＮｏと判定された場合は、起動に必要な電力が確保され、これにより、燃料電池システムの掃気も起動も行える。

ここで、ステップＳ６及びＳ７で掃気種類を選択して掃気を実施する場合について、図２のグラフを用いて具体的な処理の流れを説明する。図２のグラフに示すように、イグニッションＯＦＦ時（時刻ｔ０）のときの蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ０が、掃気開始時（時刻ｔ１／ステップＳ１→Ｙｅｓになった時）において種々の理由（例えばソーク）によりＳＯＣレベルＰ１１まで下がったとする。掃気開始時（時刻ｔ１）の蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ１１は掃気停止閾値Ｖ３よりかなり高いので、図４の掃気種類ごとの掃気使用可能電力特性図に示すように、最も大きな電力を消費する乾燥掃気を選択して掃気を行うことができる。言い換えると、掃気使用可能電力＝現在のＳＯＣ（つまり、Ｐ１１）−掃気停止閾値Ｖ３であるので、図２のグラフにおける“Ｐ１１−Ｖ３”に相当するＳＯＣを掃気電力に使用することができる。したがって、最も掃気使用可能電力の高い乾燥掃気を選択して、完璧な掃気（液滴の除去＋電解膜の乾燥）を行うことができる。

このようにして乾燥掃気を実施すると、掃気終了時（時刻ｔ２）にはＳＯＣレベルがＰ１２まで下がるが、このＳＯＣレベルＰ１２はＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）においてはＳＯＣレベルＰ１３の状態を維持しているので、次回起動禁止閾値Ｖ３よりかなり高いＳＯＣレベルにある。したがって、乾燥掃気を終了した状態でＦＣ起動を行うことができ、ＦＣ起動完了時（時刻ｔ４）にはＳＯＣレベルはＰ１４となるが、ＦＣ起動完了時（時刻ｔ４）においても起動のための電力は充分に保たれている。そして、ＦＣ起動完了（時刻ｔ４）以降においては、燃料電池１の発電電力による充電によって、蓄電装置２のＳＯＣレベルはＰ１４より徐々に上昇して行く。

すなわち、カソードとアノードの液滴を除去するための掃気（液滴掃気）とその後の電解膜の乾燥をするための掃気とをセットで行う乾燥掃気においては、イグニッションＯＦＦ→掃気処理→ＦＣ起動の手順において、図２の特性線（１）に示すように蓄電装置２のＳＯＣレベルが変化する。

［特性線（２）の説明］
次に、イグニッションＯＦＦ後のソーク時間がやや長かったり、ちょいがけ回数が多かったりすることで、図２のグラフに示すように、イグニッションＯＦＦ時（時刻ｔ０）のときの蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ０が、掃気開始時（時刻ｔ１）においてＳＯＣレベルＰ２１まで下がったとする。掃気開始時（時刻ｔ１）の蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ２１は掃気停止閾値Ｖ３よりやや高いので、掃気種類を適切に選択すれば適切な掃気を行うことができる。

したがって、図４の掃気種類ごとの掃気使用可能電力特性図に示すように、乾燥掃気よりも掃気使用可能電力が少ない液滴掃気を選択して掃気を行うことができる。言い換えると、掃気使用可能電力＝現在のＳＯＣ（つまり、Ｐ２１）−掃気停止閾値Ｖ３であるので、図２のグラフにおける“Ｐ２１−Ｖ３”に相当するＳＯＣを掃気電力に使用することができる。そのため、乾燥掃気（液滴の排出＋電解膜の乾燥）よりも掃気電力の低い液滴掃気を選択して掃気を行うことが可能である。

このようにして液滴掃気を実施すると、掃気終了時（時刻ｔ２）にはＳＯＣレベルがＰ２２まで低下するが、ＳＯＣレベルＰ２２はＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）においてはＳＯＣレベルＰ２３の状態を維持しているので、ＳＯＣレベルＰ２３は次回起動禁止閾値Ｖ３とほぼ同じレベルにある。したがって、液滴掃気を終了した後のＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）においてＦＣ起動を行うことができる。そして、ＦＣ起動完了時（時刻ｔ４）にはＳＯＣレベルはＰ２４となるが、ＳＯＣレベルＰ２４はＦＣ起動完了時（時刻ｔ４）においても起動のための電力を辛うじて保っている。そして、ＦＣ起動完了時（時刻ｔ４）以降においては、燃料電池１の発電電力による充電によって、蓄電装置２のＳＯＣレベルはＰ２４より徐々に上昇して行く。ちなみにこの場合は、液滴掃気中にＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値（＝掃気停止閾値）Ｖ３に達するまで掃気を行うことができる。

すなわち、液滴掃気においては、イグニッションＯＦＦ→掃気処理→ＦＣ起動の手順において、図２の特性線（２）に示すように蓄電装置２のＳＯＣレベルが変化する。

［特性線（３）の説明］
次に、イグニッションＯＦＦ後のソーク時間がさらに長くなり、図２のグラフに示すように、イグニッションＯＦＦ時（時刻ｔ０）のときの蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ０が、掃気開始時（時刻ｔ１）においてＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３より低いＰ３１（特性線（３）の場合）又はＰ４１（特性線（４）の場合）まで下がった場合の掃気動作について説明する。

図３に戻って、掃気開始時のＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３より低い（ＳＯＣ≦次回起動禁止閾値）ときは（ステップＳ２でＹｅｓ）、次回起動禁止が確定されてフラグが立ってＦ＝１となる（ステップＳ３）。したがって、ステップＳ４の“Ｆ＝１？”の判定において、Ｆ＝１と判定されるので（ステップＳ４でＹｅｓ）、掃気停止閾値を蓄電装置（二次電池）２の温度に応じて可変的に設定する（ステップＳ８）。そして、掃気開始時の蓄電装置のＳＯＣレベルと設定された掃気停止閾値レベルとの差分に応じて最適な掃気種類を選択して（ステップＳ６）、選択された掃気種類によって掃気を実施する（ステップＳ７）。

図５は、蓄電装置の温度と掃気停止閾値との関係を示す特性図であり、横軸に温度、縦軸に掃気停止閾値を表わしている。図５に示すように、蓄電装置２の温度が低くなるほど掃気停止閾値を高く設定するようになっている。したがって、図３のステップＳ８においては、図５に示す特性図に基づいて、蓄電装置２の温度に応じて掃気停止閾値のレベルを設定する。このとき設定する掃気停止閾値の最低レベルは、ＳＯＣの下限値Ｖ１より少なくとも５％程度高いレベルに設定する。

次に、ステップＳ８及びステップＳ６、Ｓ７で、蓄電装置２の温度に基づいて掃気停止閾値を設定した後に掃気種類を選択して掃気を実施する場合について、図２のグラフを用いて具体的な処理の流れを説明する。

イグニッションＯＦＦ後のソーク時間がかなり長いために、図２のグラフに示すように、イグニッションＯＦＦ時（時刻ｔ０）のときの蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ０が、掃気開始時（時刻ｔ１）において次回起動禁止閾値Ｖ３よりも低いＰ３１まで下がったとする。このときの蓄電装置２は次回起動に必要な電力（起動電力）を下回っているので、次回のＦＣ起動は既に禁止されている（ステップＳ３参照）。そして、掃気開始時（時刻ｔ１）において、ＳＯＣレベルＰ３１と温度に応じて設定された掃気停止閾値（図２には不図示）との差分“Ｐ３１−温度に応じて設定された掃気停止閾値”の電力で実施することができる掃気種類として、ここでは乾燥掃気を選択して掃気を行ったものとする。

このようにして乾燥掃気を実施すると、掃気終了時（時刻ｔ２）にはＳＯＣレベルが水素喚気閾値Ｖ２よりやや高いＰ３２まで下がり、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）においてはＳＯＣレベルＰ３３の状態となる。すなわち、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）におけるＳＯＣレベルＰ３３は次回起動禁止閾値Ｖ３より下回っているので、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）において燃料電池１を起動することはできない。しかし、乾燥掃気を行うことによって、燃料電池１内の液滴や水素ガスは除去されるので、燃料電池１に不具合が生じるおそれはなくなる。

以上のように、ＳＯＣレベルＰ３１が次回起動禁止閾値Ｖ３より下回ったときに掃気を行う場合は、イグニッションＯＦＦ→掃気処理→ＦＣ起動の手順において、図２の特性線（３）に示すように蓄電装置２のＳＯＣレベルが変化する。

［特性線（４）の説明］
次に、イグニッションＯＦＦ後のソーク時間がさらに長いために、図２のグラフに示すように、イグニッションＯＦＦ時（時刻ｔ０）のときの蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ０が、掃気開始時（時刻ｔ１）において次回起動禁止閾値Ｖ３よりもかなり低いＰ４１まで下がったとする。このときの蓄電装置２は次回起動に必要な電力量を下回っているので、次回のＦＣ起動は既に禁止されている。そして、掃気開始時（時刻ｔ１）において、ＳＯＣレベルＰ４１と温度に応じて設定された掃気停止閾値（図２には不図示）との差分“Ｐ４１−温度に応じて設定された掃気停止閾値”の電力（掃気電力）が、図２には示されてはいないが、僅かにあるものとする。この場合、掃気種類として乾燥掃気よりも消費電力が少ない液滴掃気を選択して掃気を行う。

このようにして液滴掃気を実施すると、掃気終了時（時刻ｔ２）にはＳＯＣレベルが水素換気閾値Ｖ２より低いレベルのＰ４２まで下がり、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）においてもＳＯＣレベルＰ４３の状態となっている。すなわち、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）におけるＳＯＣレベルＰ４３は次回起動禁止閾値Ｖ３より下回っているので、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）において燃料電池１を起動することはできない。このようにして、ＳＯＣレベルＰ４１が次回起動禁止閾値Ｖ３より下回ったときに掃気を行う場合は、イグニッションＯＦＦ→掃気処理→ＦＣ起動の手順において、図２の特性線（４）に示すように蓄電装置２のＳＯＣレベルが変化する。

なお、図２に示すように、掃気終了後（時刻ｔ２）のＳＯＣレベルＰ４２は水素換気閾値Ｖ２を下回っていることになる。言い換えると、液滴掃気を実施した場合は、燃料電池１内の水素ガスは完全に除去されるので、さらに水素換気を行う必要はない。そのため、液滴掃気を行う場合は、水素換気閾値Ｖ２を下回ったＳＯＣレベルＰ４２まで蓄電装置２の電力を消費して掃気を行うことができる。

《第２実施形態》
次に、第２実施形態における燃料電池の掃気動作について説明する。第１実施形態では、蓄電装置２のＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３より下がったときに、次回のＦＣ起動を禁止して、液滴掃気を選択して掃気を行ったが、第２実施形態ではカソード掃気を選択して掃気を行うところが相違点である。

図６は、図１の燃料電池車両における第２実施形態の掃気処理の流れを示すフローチャートである。図６のフローチャートが図３と異なるところは、図３ではステップＳ８で『掃気停止閾値を設定』としたところを、図６ではステップＳ８ａで『掃気停止閾値＝水素換気閾値』に置き換えるところのみである。それ以外のステップの内容は同じであるので重複説明は省略して、ステップ８ａに関わるところのみ説明する。また、その他の図は第１実施形態と同じであるので必要に応じて適宜該当する図面を用いて説明を行う。

図６のステップＳ４において、掃気開始時のＳＯＣレベルが次回起動禁止閾値Ｖ３より低いために、次回起動禁止が確定されてＦ＝１と判定された場合は（ステップＳ４でＹｅｓ）、掃気停止閾値を水素換気閾値と読み替える（ステップＳ８ａ）。そして、掃気開始時の蓄電装置のＳＯＣレベルと水素換気閾値Ｖ２との差分に応じて最適な掃気種類を選択して（ステップＳ６）、選択された掃気種類によって掃気を実施する（ステップＳ７）。

図２のグラフを用いて具体的に説明すると、イグニッションＯＦＦ後のソーク時間がかなり長いために、イグニッションＯＦＦ時（時刻ｔ０）のときの蓄電装置２のＳＯＣレベルＰ０が、掃気開始時（時刻ｔ１）において次回起動禁止閾値Ｖ３よりもかなり低いＰ４１まで下がったとする。このときの蓄電装置２は次回起動に必要な電力量を下回っているので、次回のＦＣ起動を禁止する。

そして、掃気開始時（時刻ｔ１）において、ＳＯＣレベルＰ４１と水素換気閾値Ｖ２との差分“Ｐ４１−Ｖ２”の電力（掃気電力）が僅かにあるので、蓄電装置２からの供給電力の安全確保を考慮して、掃気種類として掃気電力の少ないカソード掃気を選択して掃気を行う。この場合は、カソード掃気の方が液滴掃気よりも掃気電力が少ないので、掃気終了時（時刻ｔ２）におけるＳＯＣレベルは、液滴掃気を行った場合のＰ４２より高いＰ５２のレベルを示している。同様にして、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）におけるＳＯＣレベルもＰ４３より高いＰ５３のレベルを示している。しかし、ＳＯＣレベルＰ５３は次回起動禁止閾値Ｖ３より低いＳＯＣレベルにあるので、ＦＣ起動開始時（時刻ｔ３）において燃料電池１を起動することはできない。

このようにしてカソード掃気のみを行った場合は、燃料電池システム内にまだ水素ガスが残留しているので、掃気停止閾値を水素換気閾値Ｖ２と読み替えて、水素換気閾値Ｖ２を下回らない水素換気電力分（Ｐ５２）を確保して、水素換気を行うようにしている。

なお、請求項で述べる掃気手段及び起動可否判断手段は、ＥＣＵ８、蓄電装置２、エアポンプ６、燃料電池１、アノード掃気経路１ａ、カソード掃気経路１ｃ、バルブ１ｖなどによって実現することができる。
ちなみに、イグニッションＯＦＦ後に蓄電装置２のＳＯＣが低下するのは、ソークのほかに、クールダウン掃気や、ちょいがけ掃気が行われることによる。また、イグニッションＯＦＦ後も、制御装置やセンサが作動していることからそれらの電力消費による。補足すると、制御装置などは１２Ｖバッテリで作動するが、１２Ｖバッテリの残量が少なくなると蓄電装置２の電力により１２Ｖバッテリが充電され、そのことにより蓄電装置２のＳＯＣが低下する。

《まとめ》
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムは、起動に必要な蓄電装置２のＳＯＣ閾値よりも現在のＳＯＣが低下した場合は、通常起動による燃料電池１の発電を禁止している。さらに、ＳＯＣレベルが低くて燃料電池の起動禁止が確定した場合でも、蓄電装置２にＳＯＣが残っている場合は、アノード＆カソード掃気などで通常起動発電以外で必要となるデバイス動作時に、残りのＳＯＣで出力可能な掃気電力分だけエネルギ供給を許可している。また、燃料電池起動の発電以外でエネルギ供給を禁止する閾値は蓄電装置２の温度によって可変できるようにしている。
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、蓄電装置２のＳＯＣが低下した場合でも、そのＳＯＣを燃料電池１の掃気などに有効に利用することができる。また、充分な掃気を行うことによって燃料電池スタックの発電安定性が確保されるので、燃料電池システムを燃料電池車両１０に適用した場合はドライバビリティの低下を防止することができる。さらに、確実に掃気を行うことができるので、燃料電池に不具合が生じるのを防止することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の燃料電池車両において、蓄電装置のＳＯＣレベルに応じて掃気種類を変えたときの蓄電装置のＳＯＣ変化の状態を示す特性図である。 図１の燃料電池車両における第１実施形態の掃気処理の流れを示すフローチャートである。 本実施形態の燃料電池車両において掃気種類選択の目安となる掃気種類ごとの掃気使用可能電力を示す特性図である。 蓄電装置の温度と掃気停止閾値との関係を示す特性図である。 図１の燃料電池車両における第２実施形態の掃気処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ アノード掃気経路
１ｃ カソード掃気経路
１ｖ バルブ
２ 蓄電装置（二次電池）
３ 電力分配装置
４ ＰＤＵ（Power Drive Unit）
５ 駆動モータ
６ エアポンプ
７ 水素ボンベ
８ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
１０ 燃料電池車両

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の起動時及び掃気時に使用する電力を蓄電する蓄電装置と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電停止後に低下する前記蓄電装置の蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回るか否かを前記燃料電池の発電停止後から掃気の実施前に判定し、前記燃料電池の掃気を実施する場合において前記蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回ると判定しているとき、該燃料電池の次回の起動を禁止して前記蓄電電力を前記燃料電池の掃気に用いる掃気手段をさらに備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気手段は、
   前記燃料電池の発電停止後に低下する前記蓄電装置の蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回るか否かを前記燃料電池の発電停止後から掃気の実施前に判定し、
   前記燃料電池の掃気を実施する場合において前記蓄電電力が前記燃料電池の次回の起動に必要な起動電力を下回らないと判定しているとき、掃気停止閾値を次回の起動に必要な起動電力となるように設定して、次回起動に必要な起動電力を確保し、
   前記蓄電電力から前記掃気停止閾値を引き、前記掃気に使用可能な掃気使用可能電力の大きさを求め、前記掃気使用可能電力の大きさによって掃気の種類を選択して実施する
   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. 前記掃気手段は、前記燃料電池の次回の起動が禁止されている場合に、前記掃気停止閾値を前記蓄電装置の温度により変化させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気手段は、前記燃料電池の次回の起動が禁止されている場合に、前記掃気停止閾値を、水素換気を行うために必要な電力に設定し、前記掃気の種類をカソード掃気に選択して実施する
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

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