JP5329111B2 - 燃料電池システム及び該システムにおける蓄電装置の劣化判定方法 - Google Patents

Description

この発明は、両反応ガスが各反応ガス流路に供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置の電力により駆動される補機と、を有する燃料電池システム及び該システムにおける蓄電装置の劣化判定方法に関し、例えば前記燃料電池システムの発電停止時又は発電停止後に、前記燃料電池内の前記各反応ガス流路の少なくとも一方を空気等の掃気ガスにより掃気して次回の起動に備える燃料電池車両等に適用して好適な燃料電池システム及び該システムにおける蓄電装置の劣化判定方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対向して配設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。

この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう。）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。そ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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう。）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。

発電セルにおいて、セパレータの面内には、各電極に対向して反応ガスを流すための反応ガス流路が設けられるとともに、隣接する発電セルを構成するセパレータ間には、前記発電セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。反応ガスは、酸化剤ガスおよび燃料ガスであり、反応ガス流路は、カソード側電極に対向して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路とからなる。

ところで、電源として燃料電池だけではなく高電圧のバッテリを併用した燃料電池システムにより、車両走行用の電動機を駆動するハイブリッド電源車両（燃料電池車両）が提案されている。このハイブリッド電源車両では、バッテリの電力を利用して車両走行や補機電力のアシストを行い、あるいはバッテリ電力のみでいわゆるＥＶ（Electric Vehicle）走行が行われる。

特許文献１で提案されているハイブリッド電源車両を構成する燃料電池システムでは、バッテリの充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）を検出し、検出したＳＯＣに応じてＥＶ走行、あるいは燃料電池との併用走行を切り替えている。

特開２００３−６８３３９号公報

一般に、バッテリは、その使用環境及び使用年数等により劣化するため、新品のバッテリと劣化したバッテリとでは、使用可能なバッテリ出力上限値（電力供給上限値）並びにＳＯＣ使用範囲（ＳＯＣ使用領域）が変化してくるため、通常、バッテリ出力上限値並びにＳＯＣ使用範囲は、劣化したバッテリの最悪状態を考慮して決定している。

しかしながら、このように決定した場合には、新品のバッテリにおいてもバッテリ出力上限値及びＳＯＣ使用範囲が過剰に制限されることになり、バッテリの能力を十分に発揮させているとは言えない。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、蓄電装置の新品時から蓄電装置の能力を十分に発揮させて使用することを可能とする燃料電池システム及び燃料電池システムにおける蓄電装置の劣化判定方法を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムは、両反応ガスが各反応ガス流路に供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置の電力により駆動される補機と、前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出部と、前記蓄電装置の劣化を判定する劣化判定部と、前記蓄電装置から前記補機に供給される電力が、所定時間定常状態にあるかどうかを判定する定常状態判定部と、を備え、前記劣化判定部は、前記定常状態判定部により前記所定時間定常状態にあると判定されたとき、前記電圧検出部により検出した前記蓄電装置の電圧に基づいて前記蓄電装置の劣化を判定することを特徴とする。

この発明によれば、前記蓄電装置が所定時間定常状態にあるときの前記蓄電装置の電圧に基づいて劣化判定を行うようにしているため、蓄電装置の劣化判定を精度よく行うことができる。劣化判定結果に基づき、例えば、蓄電装置の出力上限値あるいはＳＯＣ使用範囲の決定を行うことで、蓄電装置の新品時から蓄電装置の能力を十分に発揮させて使用することができる。

この場合、さらに、前記蓄電装置が所定時間定常状態にあるときの前記蓄電装置の電流を加味して劣化判定を行うことでより精度よく劣化判定を行うことができる。

さらに、前記蓄電装置が所定時間定常状態にあるときの前記蓄電装置の温度を加味して劣化判定を行うことでさらに精度よく劣化判定を行うことができる。

さらにまた、前記電圧検出部は、さらにＯＣＶを検出し、前記劣化判定部は、前記ＯＣＶから前記所定時間定常状態にあるときに検出した電圧を引いた電圧降下に基づき前記蓄電装置の劣化を判定するようにしてもよい。

劣化判定結果に基づき、蓄電装置の出力上限値及び（又は）ＳＯＣ使用範囲を変更することができる。これにより蓄電装置の新品時から蓄電装置の能力をより正確に十分に発揮させることができる。

劣化判定は、制御部により所定時間の定常状態を強制的に作れる、イグニッションスイッチ等のメインスイッチがＯＦＦとなっている期間に行うことが好ましい。この場合、劣化判定は、前記蓄電装置の電力により駆動される掃気部により、前記反応ガス流路の少なくとも一方に掃気ガスに導入されている期間に行うことが好ましい。

前記掃気ガスの導入を、前記燃料電池の発電停止時から所定時間経過後に行う方がより好ましい。発電停止時から所定時間経過後には、発電停止時に上昇していたバッテリ温度が、平衡状態になるので、より正確に劣化を判定することができる。

なお、前記掃気ガスの導入を、前記燃料電池の発電停止時に行う場合には、発電停止時に毎回バッテリの劣化判定を確実に行うことができる。

この発明に係る燃料電池システムにおける蓄電装置の劣化判定方法は、両反応ガスが各反応ガス流路に供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置の電力により駆動される補機と、を有する燃料電池システムにおける前記蓄電装置の劣化判定方法において、前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出過程と、前記蓄電装置から前記補機に供給される電力が所定時間定常状態であるかどうかを判定する蓄電装置定常状態判定過程と、前記蓄電装置定常状態判定過程により所定時間定常状態であると判定されたとき、前記電圧検出過程により検出した前記蓄電装置の電圧に基づいて前記蓄電装置の劣化を判定する劣化判定過程と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記蓄電装置が所定時間以上定常状態にあるときの前記蓄電装置の電圧に基づいて劣化判定を行うようにしているため、蓄電装置の劣化判定を精度よく行うことができる。

この発明によれば、蓄電装置が所定時間定常状態にあるときの前記蓄電装置の電圧に基づいて劣化判定を行うようにしているため、蓄電装置の劣化判定を精度よく行うことができる。これにより、蓄電装置の新品時から蓄電装置の能力を十分に発揮させることができる。

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の発電出力を補助するエネルギストレージである蓄電装置（バッテリという。）１６とから構成されるハイブリッド電源と、このハイブリッド電源からの電流（電力）が図示しないインバータを通じて供給される走行用のモータ１８とから構成される。バッテリ１６は、例えば、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池、又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

燃料電池１４の電流出力端には、燃料電池１４の電力（発電電力）及び（又は）バッテリ１６の電力をモータ１８や補機としてのエアコンプレッサ３６（掃気部）等に分配する電力分配器２１が接続されている。この電力分配器２１は、また、燃料電池１４の電力及び（又は）モータ１８の回生電力をバッテリ１６に分配し、バッテリ１６を充電する。

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である。各燃料電池セルは、電解質膜（固体高分子電解質膜）・電極構造体を挟んで保持する金属のセパレータとを備える。一方のセパレータの電解質膜・電極構造体のカソード電極に対向する面には、酸化剤ガス流路（反応ガス流路ともいう。）１４６が設けられる。他方のセパレータの電解質膜・電極構造体のアノード電極に対向する面には、燃料ガス流路（反応ガス流路ともいう。）１４８が形成される。

燃料電池１４には、この燃料電池１４の燃料ガス流路１４８を通じてアノード電極に燃料ガス、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の燃料ガス流路１４８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、燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４６を通じてカソード電極に、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、酸化剤ガス流路１４６から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。

水素供給口２０には、水素供給流路２８が連通される。この水素供給流路２８には、エゼクタ４８が設けられ、このエゼクタ４８は、高圧水素を貯留する水素タンク４２から水素遮断弁４４を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路２８及び水素供給口２０を通じて燃料電池１４に供給するとともに、燃料電池１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素排出口２２に連通する水素循環流路４６から吸引して燃料電池１４に再供給する。

水素循環流路４６には、アノード電極に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に混入した窒素ガスを含む燃料ガスを、水素パージ流路３２及び図示しない希釈ボックスを介して外部（大気）に排出して発電安定性を確保するために適宜開放されるパージ弁３０が設けられる。

一方、空気供給口２４には、空気供給流路３４が連通され、この空気供給流路３４には、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エアコンプレッサ３６が接続される。

また、空気排出口２６には、エアコンプレッサ３６から空気供給流路３４及び空気供給口２４を通じて燃料電池１４に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁３８が設けられ、燃料電池１４の空気排出口２６は、この背圧制御弁３８を介し空気排出流路４０、図示しない前記希釈ボックスを通じて大気に連通している。

さらに、燃料電池１４の水素供給流路２８と空気供給流路３４との間には、空気導入流路５３を介し水素供給口２０を通じて燃料ガス流路１４８に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード側空気掃気処理時に開放される空気導入弁５４が設けられる。

なお、この実施形態において、圧力調整弁である背圧制御弁３８を除き、水素遮断弁４４、空気導入弁５４、パージ弁３０は、それぞれ例えばオンオフ弁である。

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、コントローラ（制御装置）７０が設けられ、このコントローラ７０により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の前記各種弁の開閉、電力分配器２１の制御、モータ１８の制御、エアコンプレッサ３６等の補機の制御、バッテリ１６の充放電制御等を含め、全ての動作が制御される。

コントローラ７０は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を含むコンピュータ（ＥＣＵ）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（機能部）としても動作する。この実施形態において、コントローラ７０は、掃気制御部７２、ＲＴＣ（Real Time Clock）制御部７４、劣化判定部７６、定常状態判定部７７、及びバッテリ残量監視部７８等として動作する。

電力分配器２１とバッテリ１６との間には、バッテリ１６の電圧を検出する電圧センサ６２（電圧検出部）と、バッテリ１６の電流を検出する電流センサ６４（電流検出部）とが接続され、検出されたバッテリ電圧Ｖｂａｔ及びバッテリ電流Ｉｂａｔは、コントローラ７０に供給される。

また、バッテリ１６には、バッテリ温度Ｔｂａｔを検出する温度センサ６６（温度検出部）が装着され、検出されたバッテリ温度Ｔｂａｔは、コントローラ７０に供給される。

コントローラ７０には、燃料電池車両１２（燃料電池システム１０）のメインスイッチであるイグニッションスイッチ８０が接続されている。

なお、図１において、太い実線は電力線を示し、細い実線は信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。

燃料電池システム１０の発電運転時には、コントローラ７０による弁制御により、基本的には、水素遮断弁４４は開放され背圧制御弁３８が適量に開いた状態になっており、パージ弁３０は適宜開かれるが通常は閉じた状態となっており、さらに、空気導入弁５４は、閉じた状態になっている。

この発電運転時において、水素タンク４２から供給される燃料ガスが、エゼクタ４８を介し水素供給流路２８を通じて燃料電池１４の水素供給口２０に供給される。

水素供給口２０に供給された燃料ガスは、各燃料電池セルを構成する燃料ガス流路１４８に沿ってアノード電極に供給されアノード電極に沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、水素排出口２２から排出されて水素循環流路４６に送られる。

水素循環流路４６に排出された排ガスは、エゼクタ４８の吸引作用下に、水素供給流路２８の途上に戻された後、再度、燃料電池１４内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。

一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてエアコンプレッサ３６から供給され、圧縮空気が空気供給流路３４に供給される。圧縮空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口２４から各燃料電池セルを構成する酸化剤ガス流路１４６に沿ってカソード電極に供給されカソード電極に沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口２６から背圧制御弁３８を通じて大気に排出される。

これにより、各燃料電池セルでは、アノード電極に供給される燃料ガスである水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。発電電力は、電力分配器２１を通じて、モータ１８、エアコンプレッサ３６及びバッテリ１６に供給される。

発電状態が一定時間以上継続されると、カソード電極側で発生し酸化剤ガス流路１４６にも貯留されている生成水が電解質膜、アノード電極を透過して燃料ガス流路１４８側に伝達され、燃料ガス流路１４８内にも貯留されることとなる。

結局、燃料電池１４において発電が開始されると、最初に酸化剤ガス流路１４６に液滴が発生し、所定発電時間経過後に燃料ガス流路１４８内にも液滴が発生することになる。

コントローラ７０のバッテリ残量監視部７８は、例えば、バッテリ１６に対して入出力するバッテリ電流Ｉｂａｔを積算し、現在のＳＯＣが、定格容量のＳＯＣ＝１００％に対して何％になっているかを算出し、メモリに記憶する。現在のＳＯＣは、この電流積算法の他、電圧センサ６２によりバッテリ１６からバッテリ電流Ｉｂａｔが流出入していない状態での開放端子電圧、いわゆるＯＣＶ（Open Circuit Voltage）を測定すること等により検出することができる。ＯＣＶの場合には、通常、バッテリ温度ＴｂａｔをパラメータとしてＳＯＣが決定される。

上記の定格容量は、バッテリ１６の新品時に保証されている容量、単位は、例えば［ｋＷｈ］である。

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におけるバッテリ１６の劣化判定処理について、図２のフローチャート（制御主体はコントローラ７０）を参照して説明する。

ステップＳ１において、コントローラ７０が燃料電池システム１０（燃料電池車両１２）のイグニッションスイッチ８０から起動信号ＩＧ−ＯＮを受けたとき、ステップＳ２、Ｓ３において、それぞれ後述する、劣化判定部７６による前回の劣化判定処理結果に基づきバッテリ出力上限値と、ＳＯＣ使用範囲を決定し、更新する。

次いで、ステップＳ４において燃料電池１４の発電を開始する。燃料電池１４の発電が継続されている間に、ステップＳ５においてイグニッションスイッチ８０から停止信号ＩＧ−ＯＦＦが供給されるかどうかを検出する。

ステップＳ４において、停止信号ＩＧ−ＯＦＦを検出すると、燃料電池１４の発電を停止させる。

次いで、ステップＳ７において、ＲＴＣ制御部７４は、所定ソーク時間Ｔｓｋが経過したかどうかを判定する。なお、この所定ソーク時間Ｔｓｋは、発電停止直後はバッテリ１６の温度が高い状態になっているので、バッテリ１６の温度が下がり外気温に近い温度になる、例えば、１５分後に設定され、第１回目の所定ソーク時間Ｔｓｋ経過後には、より長い時間に設定される。なお、この所定ソーク時間Ｔｓｋは、個々の燃料電池システム１０毎に適正な値が設定される。

所定ソーク時間Ｔｓｋの経過時点であるステップＳ８において、温度センサ６６を通じてバッテリ温度Ｔｂａｔを検出しメモリに記憶する。

次いで、ステップＳ９において、メモリに記憶されているバッテリ温度Ｔｂａｔ（またはソーク中の温度推移等）から、外気温の低下に伴いバッテリ温度Ｔｂａｔが氷点下以下の低温になりそうかどうかを判定（予測）することで、凍結防止のための掃気が必要であるかどうかを判定する。

氷点下以下の低温にはならないと判断した場合には、ステップＳ１１において、起動信号ＩＧ−ＯＮが供給されているかどうかを確認し、供給されていない場合には、ステップＳ６の所定ソーク時間Ｔｓｋの経過判定にもどり、供給されていた場合には、ステップＳ１にもどる。

その一方、ステップＳ９の判定において、氷点下以下の低温になりそうで掃気が必要であると判定した場合には、燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４６内及び燃料ガス流路１４８等での水分の凍結を防止するために、ステップＳ１０において水分の掃気処理を行うとともにバッテリ劣化判定処理を行う。

図３は、ステップＳ１０の水分の掃気処理及びバッテリ劣化判定処理の詳細ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ１０ａにおいて、バッテリ残量監視部７８により監視されている現在のＳＯＣが何％であるかをメモリから検出する。ここでは、検出された現在のＳＯＣが５０％であるものとする。

次いで、掃気処理を行うために、ステップＳ１０ｂにおいて、掃気制御部７２により掃気準備処理を行う。この場合、エアコンプレッサ３６にバッテリ１６から電力分配器２１を通じて電力が供給されるとともに、パージ弁３０と空気導入弁５４が開弁される。

次に、ステップＳ１０ｃにおいて、掃気制御部７２は、エアコンプレッサ３６を一定回転数で駆動して掃気を開始する。この場合、バッテリ１６から一定電流が供給されるので、エアコンプレッサ３６は、一定出力で動作する。

このとき、エアコンプレッサ３６からの圧縮空気が酸化剤ガス流路１４６に導入されるとともに、空気導入弁５４を介して燃料ガス流路１４８に導入される。導入された圧縮空気により酸化剤ガス流路１４６の水分及び燃料ガス流路１４８内の水分が、それぞれ背圧制御弁３８、及びパージ弁３０を介して大気に排出される。これにより、酸化剤ガス流路１４６及び燃料ガス流路１４８を含む燃料電池１４内の各流路の水分が排出され、氷点下駆動下での次回の始動に備える。

なお、この実施形態において、掃気ガスとして圧縮空気を使用しているが、他のガス、例えば窒素ガス等を用いてもよい。

掃気処理中のステップ１０ｄにおいて、電圧センサ６２によりバッテリ電圧Ｖｂａｔを検出し、ステップＳ１０ｅにおいて、温度センサ６６によりバッテリ温度Ｔｂａｔを電流センサ６４によりバッテリ電流Ｉｂａｔをそれぞれ検出する。これらの検出を、ステップＳ１０ｆの所定時間経過毎に複数回行い、メモリに時系列で記憶する。なお、時刻・時間は、ＲＴＣ制御部７４により管理される。

所定時間は、例えば１０秒間に設定されている。バッテリ１６の定常状態判定部７７は、バッテリ電圧Ｖｂａｔ、バッテリ温度Ｔｂａｔ、及びバッテリ電流Ｉｂａｔを、この１０秒間経過毎に複数回検出して、前回と今回の値の差がきわめて小さい値（閾値以内）になるバッテリ１６の定常状態での値を検出したとき、検出した値を劣化判定用の定常状態の各値（それぞれ定常状態のバッテリ電圧Ｖｂａｔ、バッテリ温度Ｔｂａｔ、及びバッテリ電流Ｉｂａｔ）として、メモリに記憶する。

実際上、エアコンプレッサ３６が一定出力で駆動されているので、定常状態での各値を検出するまで、数度以内の測定で十分である。検出値の平均値を定常状態での値としてもよい。

次いで、ステップＳ１０ｇにおいて、劣化判定部７６は、バッテリの劣化判定処理を行う。このバッテリ劣化判定処理では、予めメモリ（ＲＯＭ）に記憶されている図４に例を示す判定マップ（判定表）１０２が参照される。この判定マップ１０２は、所定％、例えば、１％刻みのＳＯＣ毎にメモリに格納され、あるいは数％程度刻みのＳＯＣ毎にメモリに格納されて１％刻みのＳＯＣに補間される。

この判定マップ１０２には、各ＳＯＣ毎（図４例では、ステップＳ１０ａの検出値に対応するＳＯＣ＝５０％）に、バッテリ温度Ｔｂａｔ及びバッテリ電流Ｉｂａｔをパラメータとして、バッテリ電圧Ｖｂａｔと劣化判定結果との関係が規定されている。

バッテリ温度Ｔｂａｔが高い程、バッテリ電圧Ｖｂａｔが高くなり、バッテリ電流Ｉｂａｔが低い程バッテリ電圧Ｖｂａｔが高くなる。

図４例の判定マップ１０２は、ステップＳ１０ａで検出したＳＯＣ％＝５０％の判定マップであり、この判定マップ１０２にステップＳ１０ｅで検出したバッテリ温度Ｔｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔを参照することにより、劣化特性１００Ｈ、１００Ｍ、１００Ｌが選択され（劣化特性を補間して間の傾斜を有する劣化特性を生成することもできる。）、選択された劣化特性１００Ｈ、１００Ｍ、１００Ｌ上で、ステップＳ１０ｄで検出したバッテリ電圧Ｖｂａｔを参照すると、現在のバッテリ劣化の判定結果が得られる。

この図４例の判定マップ１０２では、判定結果として、「新品」、「劣化レベル１」、及び「劣化レベル２」の３段階としているが、より細かい段階にレベル分けしてもよい。

このようにして判定したバッテリ劣化の判定結果をステップＳ１０ｈにおいてメモリに記憶する。

次いで、所定掃気時間経過後にステップＳ１０ｉにおいて、掃気制御部７２は、バッテリ１６から電力分配器２１を通じてのエアコンプレッサ３６への電力の供給を停止し掃気処理を終了する。所定掃気時間は、前回の発電時間等をパラメータとして予め決定されメモリに記憶されている。

図５は、図２のステップＳ１０の水分の掃気処理及びバッテリ劣化判定処理の他の実施例に係る詳細ルーチンを示すフローチャートである。

なお、図５のフローチャートの各処理において、図４のフローチャートの各処理と同一の処理あるいは対応する処理には同一のステップ番号をつけて、その詳細な処理については省略する。

ステップＳ１０Ｘにおいて、バッテリ残量監視部７８は、電圧センサ６２によりバッテリ１６からバッテリ電流Ｉｂａｔが流出入していない状態での開放端子電圧ＯＣＶを測定しメモリに記憶する。このとき、バッテリ１６を構成する直列接続された複数のバッテリ単位セルの各開放端子電圧を全て測定し、測定した各開放端子電圧の最小値である、バッテリ単位セル最小開放端子電圧をメモリに記憶するようにしてもよい。

次いで、ステップＳ１０ｂ〜Ｓ１０ｅまで、図４の処理と同一の処理を行う。次に、ステップＳ１０Ｙにおいて、劣化判定部７６は、ステップＳ１０ＸでのＯＣＶからステップＳ１０ｄでの定常状態のバッテリ電圧Ｖｂａｔを差し引いて電圧降下ΔＶｂａｔ（ＯＣＶ−Ｖｂａｔ）を計算し、メモリに記憶する。なお、バッテリ電圧Ｖｂａｔが定常状態のバッテリ電圧Ｖｂａｔであるかどうかの判定は、定常状態判定部７７により、バッテリ温度Ｔｂａｔ及びバッテリ電流ＩｂａｔがステップＳ１０ｆでの所定時間の間、略一定値となっていることが条件とされる。

次いで、ステップＳ１０Ｚにおいて、他の実施例に係るバッテリの劣化判定処理を行う。

このステップＳ１０Ｚに示す他の実施例に係るバッテリ劣化判定処理では、メモリに記憶されている図６に示す判定マップ（判定表）１０６が参照される。この判定マップ１０６は、ステップＳ１０ｅで検出したバッテリ温度Ｔｂａｔ及びバッテリ電流Ｉｂａｔをパラメータとして、電圧降下ΔＶｂａｔとバッテリ劣化判定結果との関係が規定されている。バッテリ温度Ｔｂａｔが低い程、電圧降下ΔＶｂａｔが大きくなり、バッテリ電流Ｉｂａｔが低い程、電圧降下ΔＶｂａｔが小さくなる。

この判定マップ１０６にバッテリ温度Ｔｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔをプロットすることにより、劣化特性１０４Ｈ、１０４Ｍ、１０４Ｌが選択され（劣化特性を補間して間の傾斜を有する劣化特性を生成することもできる。）、選択された劣化特性１０４Ｈ、１０４Ｍ、１０４Ｌ上で、ステップＳ１０Ｙで計算した電圧降下ΔＶｂａｔを参照すると、現在のバッテリ劣化の判定結果が得られる。判定結果として、「新品」、「劣化レベル１」、又は「劣化レベル２」のいずれかが得られる。

このようにして判定した劣化レベルの判定結果をステップＳ１０ｈにおいてメモリに記憶する。次いで、所定時間経過後にステップＳ１０ｉにおいて、掃気制御部７２は、掃気処理を終了する。

掃気処理後に、図２のステップＳ１においてイグニッションスイッチ８０から起動信号ＩＧ−ＯＮを受けたとき、ステップＳ１０（Ｓ１０ｇ又はＳ１０Ｚ）の劣化判定結果をメモリから読み出し、そのステップＳ１では、バッテリ出力上限値Ｐｌｉｍｉｔを決定し、ステップＳ２において、ＳＯＣ使用範囲％を決定する。このようにして、バッテリ出力上限値ＰｌｉｍｉｔとＳＯＣ使用範囲％が変更（更新）される。

図７は、メモリに記憶されているバッテリ出力上限値決定マップ（決定表）１１０の例を示している。

バッテリ出力上限値Ｐｌｉｍｉｔは、それぞれメモリに記憶されている前回のステップＳ１０ａで検出したＳＯＣ、又は前回のステップＳ１０Ｘで検出したバッテリ開放端子電圧ＯＣＶに対し、劣化判定結果（新品、劣化レベル１、又は劣化レベル２）に対応するバッテリ出力上限値１０８Ｈ、１０８Ｍ、１０８Ｌが参照されて、バッテリ出力上限値Ｐｌｉｍｉｔが決定される。なお、実際上、バッテリ出力上限値決定マップ１１０は、バッテリ温度Ｔｂａｔ毎に作成されメモリに記憶されている。また、バッテリ出力上限値決定マップ１１０の横軸は、ステップ１０ｍで検出し記憶したバッテリ単位セル最小開放端子電圧に代替したものを用いることができる。

図８は、メモリに記憶されているＳＯＣ使用範囲％の決定マップ（決定表）１１２を示している。

ＳＯＣ使用範囲％決定マップ１１２は、前回のステップＳ１０ｇ又は前回のステップＳ１０Ｚで決定した劣化判定結果（新品、劣化レベル１、又は劣化レベル２）に基づき、ＳＯＣ使用範囲％Ａ、Ｂ、又はＣを決定するものである。

劣化判定結果が「新品」であった場合には、５％〜８０％範囲のＳＯＣ使用範囲％Ａに決定され、劣化判定結果が「劣化レベル１」であった場合には、１０％〜７０％範囲のＳＯＣ％使用範囲Ｂに決定され、劣化判定結果が「劣化レベル２」であった場合には、３０％〜６０％範囲のＳＯＣ％使用範囲Ｃに決定される。なお、下限値５％、１０％、３０％は、一定レベルの例えば下限値５％に固定してもよい。

以上説明したように、この実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１４と、バッテリ１６（蓄電装置）と、エアコンプレッサ３６（補機）と、バッテリ１６の電圧Ｖｂａｔを検出する電圧センサ６２（電圧検出部）と、バッテリ１６の劣化を判定する劣化判定部７６と、バッテリ１６からエアコンプレッサ３６に供給される電力が、所定時間定常状態にあるかどうかを判定する定常状態判定部７７と、を備える。

ここで、劣化判定部７６は、定常状態判定部７７により所定時間定常状態にあると判定されたとき、電圧センサ６２により検出したバッテリ電圧Ｖｂａｔに基づいてバッテリ１６の劣化を判定する。

バッテリ１６が所定時間定常状態にあるときのバッテリ電圧Ｖｂａｔに基づいて劣化判定を行うようにしているため、バッテリ１６の劣化判定を精度よく行うことができる。劣化判定結果に基づき、バッテリ１６の出力上限値ＰｌｉｍｉｔあるいはＳＯＣ使用範囲Ａ〜Ｃの決定を行うことで、従来技術のように、バッテリ１６の新品時においてＳＯＣ範囲を制限する必要がなくなり、バッテリ１６の新品時からバッテリ１６の能力を十分に発揮させて使用することができる。

この場合、さらに、バッテリ１６が所定時間定常状態にあるときのバッテリ１６のバッテリ電流Ｉｂａｔ（ステップＳ１０ｅ）を加味した判定マップ１０２、１０６を参照して劣化判定を行うことで、バッテリ１６の使用状況、環境状況等を含めてより精度よく劣化判定を行うことができる。

同様に、バッテリ１６が所定時間定常状態にあるときのバッテリ温度Ｔｂａｔ（ステップＳ１０ｅ）を加味した判定マップ１０２、１０６を参照して劣化判定を行うことでさらに精度よく劣化判定を行うことができる。すなわち、バッテリ温度Ｔｂａｔによりバッテリ１６の内部抵抗が変化することによってバッテリ電圧Ｖｂａｔが変動するため、バッテリ温度Ｔｂａｔに応じて劣化判定（劣化補正）を行うことで劣化度合いをより正確に検出することができる。

また、電圧センサ６２によりバッテリ１６のＯＣＶを検出し、劣化判定部７６は、検出したＯＣＶから前記所定時間定常状態にあるときに検出した電圧Ｖｂａｔを引いた電圧降下ΔＶｂａｔ（ΔＶｂａｔ＝ＯＣＶ−Ｖｂａｔ）、いわゆるＩＲ（電流×内部抵抗）ドロップに基づきバッテリ１６の劣化を判定することができる。

劣化判定結果に基づき、バッテリ１６の出力上限値Ｐｌｉｍｉｔ及び（又は）ＳＯＣ使用範囲［％］を変更することができる。これによりバッテリ１６の新品時からその能力をより正確に十分に発揮させることができる。

劣化判定は、コントローラ７０によりバッテリ１６に対する所定時間の定常状態（負荷が一定）を強制的に構築することのできる、燃料電池車両１２のイグニッションスイッチ８０がＯＦＦとなっている期間に行うことが好ましい。例えば、燃料電池１４の発電停止後、劣化判定は、バッテリ１６の電力により駆動されるエアコンプレッサ３６により、酸化剤ガス流路１４６及び燃料ガス流路１４８の少なくとも一方に圧縮空気等の掃気ガスが導入されている期間に行うことが好ましい。

なお、掃気ガスの導入は、燃料電池１４の発電停止時でもよいが、発電停止直後はバッテリ１６の温度Ｔｂａｔも急激に低下するため、バッテリ１６の温度変化によるバッテリ電圧Ｖｂａｔのばらつきが少なくなる、発電停止している燃料電池１４の温度が外気温度まで低下する所定時間経過後に行う方がより好ましい。このようにすれば、劣化判定をより精度よく行うことができる。

このように、燃料電池システム１０の停止時又は停止中に、バッテリ１６からエアコンプレッサ３６等の補機に一定時間一定出力で電力を供給しているとき（バッテリ１６が定常状態であるとき）の燃料電池１４に対する掃気時に、バッテリ電圧Ｖｂａｔを測定して劣化判定を行い、劣化判定結果（劣化度合い）に応じてバッテリ１６の出力上限値Ｐｌｉｍｉｔ及びＳＯＣ使用範囲［％］を変更するようにしているので、新品のバッテリ１６の使用を開始したときからその寿命まで何時でもバッテリ１６のその時点での能力に応じた的確な出力上限値Ｐｌｉｍｉｔ及びＳＯＣ使用範囲［％］でバッテリ１６を使用することができる。掃気は、燃料電池１４の劣化防止のために行われるものであり、劣化判定のためにだけバッテリ１６の電力を使用しないのでバッテリ１６の電力の無駄な発生を抑制できる。もちろん、燃料電池１４（燃料電池車両１２）の運転後に掃気処理を行わないことが、例えば、連続して数回程度発生した場合には、凍結の恐れがなくても、劣化判定のための掃気処理を行うようにしてもよく、エアコンプレッサ３６以外の他の補機、例えばエアコンディショナ、冷媒用のウォータポンプ、ラジエタファン等を作動させて劣化判定を行うようにしてもよい。

バッテリ１６の劣化判定は、上述したように、燃料電池車両１２（燃料電池システム１０）のイグニッションスイッチ８０がＯＦＦにされた発電停止後から所定時間経過後に行うことが判定精度上好ましいが、これに限らず、例えば、イグニッションスイッチ８０のＯＦＦ直後に毎回掃気処理が行われるシステムにおいては、この掃気時に合わせて毎回劣化判定を行ってもよい。このようにすれば、燃料電池車両１２（燃料電池システム１０）の運転毎に毎回確実にバッテリ１６の劣化判定を行うことができる。

この発明の一実施形態が適用された燃料電池システムを備える燃料電池車両の概略構成図である。 燃料電池システムにおけるバッテリの劣化判定処理のフローチャートである。 図２中、掃気処理及びバッテリ劣化判定処理の詳細ルーチンを示すフローチャートである。 劣化判定マップを示す説明図である。 図２中、掃気処理及びバッテリ劣化判定処理の他の例の詳細ルーチンを示すフローチャートである。 劣化判定マップの他の例を示す説明図である。 バッテリの出力上限値の設定例の説明図である。 ＳＯＣ範囲に対するバッテリ劣化レベルの対応関係を示す説明図である。

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…バッテリ
１８…モータ ３６…エアコンプレッサ
５４…空気導入弁 ７０…コントローラ
８０…イグニッションスイッチ

Claims (4)

1. 両反応ガスが各反応ガス流路に供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池で発電された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、
   前記蓄電装置の電力により駆動され、前記反応ガス流路の少なくとも一方に掃気ガスを導入する掃気部と、
   前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記蓄電装置の劣化を判定する劣化判定部と、
   前記蓄電装置から前記掃気部に供給される電力が、所定時間定常状態にあるかどうかを判定する定常状態判定部と、
   を備え、
   前記劣化判定部は、該燃料電池システムのメインスイッチがＯＦＦとなっている期間中、前記掃気部により前記掃気ガスが導入されている期間に、前記定常状態判定部により前記所定時間定常状態にあると判定されたとき、前記電圧検出部により検出した前記蓄電装置の電圧に基づいて前記蓄電装置の劣化を判定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記掃気部は、前記掃気ガスの導入を、前記燃料電池の発電停止時から所定時間経過後に行う
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記掃気部は、前記掃気ガスの導入を、前記燃料電池の発電停止時に行う
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 両反応ガスが各反応ガス流路に供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、前記蓄電装置の電力により駆動され前記反応ガス流路の少なくとも一方に掃気ガスを導入する掃気部と、を有する燃料電池システムにおける前記蓄電装置の劣化判定方法において、
   前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出過程と、
   前記蓄電装置から前記掃気部に供給される電力が、所定時間定常状態にあるかどうかを判定する蓄電装置定常状態判定過程と、
   該燃料電池システムのメインスイッチがＯＦＦとなっている期間中、前記掃気部により前記掃気ガスが導入されている期間に、前記蓄電装置定常状態判定過程により所定時間定常状態であると判定されたとき、前記電圧検出過程により検出した前記蓄電装置の電圧に基づいて前記蓄電装置の劣化を判定する劣化判定過程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムにおける蓄電装置の劣化判定方法。

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