JP5822024B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００８−２９３８６９Ａには、従来の燃料電池システムとして、燃料電池システムの運転を終了してから所定時間経過した後にコントローラを起動させて、ステッピングモータによって駆動されるバルブを初期化するものが開示されている。

前述した従来の燃料電池システムでは、バルブの初期化後、燃料電池システムを始動するまでの間にバルブの弁体位置が振動等によって初期化位置からずれてしまうおそれがある。そのため、燃料電池システムの始動後にバルブの初期化を実施したい。

しかしながら、燃料電池システムの始動時はバルブの弁体位置が不明なので、確実にバルブを初期化しようとすると、少なくともステッピングモータを全ステップ数（最大ステップ数）だけ回転させる必要があり、初期化に時間がかかる。そのため、燃料電池システムの起動時間が長くなるという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの始動時に実施するバルブの初期化に要する時間を短縮し、燃料電池システムの起動時間を短くすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池システム内に設けられ、ステッピングモータによって駆動されるバルブと、燃料電池システムの停止要求があったときに、ステッピングモータを制御してバルブの弁体を所定の初期化位置に制御する停止時バルブ制御部と、燃料電池システムの始動要求があったときに、バルブの弁体が初期化位置に向けて移動するように、ステッピングモータの最大ステップ数よりも少ない所定の初期化ステップ数だけステッピングモータを回転させるバルブ初期化部と、を備える燃料電池システムが提供される。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の一実施形態による停止時全閉処理の制御内容について説明するフローチャートである。 図３は、本発明の一実施形態による最小初期化処理の制御内容について説明するフローチャートである。 図４は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの停止処理の動作について説明するタイムチャートである。 図５は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの始動処理の動作について説明するタイムチャートである。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、電力系４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。

また、燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「スタック出力電流」という。）を検出する電流センサ１３と、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「スタック出力電圧」という。）を検出する電圧センサ１４と、が設けられる。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソードガス排出通路２４と、カソード調圧弁２５と、バイパス通路２６と、バイパス弁２７と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。

カソード調圧弁２５は、カソードガス排出通路に設けられる。カソード調圧弁２５は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

バイパス通路２６は、カソードコンプレッサ２３から吐出されたカソードガスの一部を、水素希釈やカソードコンプレッサ２３のサージ回避のために、燃料電池スタック１をバイパスさせて直接カソードガス排出通路２４に排出するための通路である。カソードガスバイパス通路２６は一端がカソードコンプレッサ２３よりも下流のカソードガス供給通路２１に接続され、他端が調圧弁よりも下流のカソードガス排出通路２４に接続される。

バイパス弁２７は、バイパス通路２６に設けられる。バイパス弁２７は、その開度がステッピングモータ２７１によって段階的に調整される開閉弁であり、ステッピングモータ２７１を正方向に回転させるとバイパス弁２７の開度が大きくなり、逆方向に回転させるとバイパス弁２７の開度が小さくなるように構成される。バイパス弁２７の開度を調節することで、燃料電池スタック１をバイパスさせるカソードガスの流量が調節される。

ステッピングモータ２７１は、パルス信号が入力されるごとに所定の基本角度だけ回転するモータであって、その回転速度は入力されるパルス信号の周波数が高くなるほど速くなる。

本実施形態では、便宜上、バイパス弁２７を全開から全閉にするために必要なステッピングモータ２７１の回転角度を基本角度で割ったものをステップ数と呼び、バイパス弁２７が全閉のときのステップ数をゼロと定義する。そして、バイパス弁２７が全開のときのステップ数を全開ステップ数と呼ぶこととする。本実施形態では全開ステップ数は６０程度である。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２４に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、遮断弁３３と、アノード調圧弁３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

遮断弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。遮断弁３３を閉弁することで、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。

アノード調圧弁３４は、遮断弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２４に接続される。

パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２４に排出するアノードオフガスの流量を調節する。

電力系４は、駆動モータ４１と、インバータ４２と、電力分配装置４３と、スタック用電力遮断器４４と、強電バッテリ４５と、強電用電力遮断器４６と、電圧降圧器４７と、弱電バッテリ４８と、弱電用電力遮断器４９と、を備える。

駆動モータ４１は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ４１は、燃料電池スタック１及び強電バッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

インバータ４２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４２の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４２は、駆動モータ４１を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力と強電バッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ４１に供給する。一方で、駆動モータ４１を発電機として機能させるときは、駆動モータ４１の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換して強電バッテリ４５に供給する。

電力分配装置４３は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。本実施形態では電力分配装置４３としてＤＣ／ＤＣコンバータを使用している。電力分配装置４３によってスタック出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の発電電力（スタック出力電流×スタック出力電圧）が制御されると共に強電バッテリ４５の充放電が制御され、必要な電力がカソードコンプレッサ２３や駆動モータ４１などの強電系の各電気部品、及び、カソード調圧弁２５やバイパス弁２７、遮断弁３３、アノード調圧弁３４、パージ弁３６などの弱電系の各電気部品に適宜分配されて供給される。

スタック用電力遮断器４４は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１と電力分配装置４３とを電気的に接続又は遮断する。

強電バッテリ４５は、充放電可能な二次電池である。強電バッテリ４５は、燃料電池スタック１の発電電力の余剰分及び駆動モータ４１の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて強電系の各電気部品に供給されると共に、電圧降圧器４７を介して弱電系の各電気部品に供給される。本実施形態では、出力電圧が３００［Ｖ］程度のリチウムイオン電池を強電バッテリ４５として使用している。

強電バッテリ４５には、強電バッテリ４５の温度を検出する温度センサ４５１と、強電バッテリ４５の充電率（ＳＯＣ；State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ４５２と、が設けられる。

強電用電力遮断器４６は、コントローラ５によって開閉制御されて、強電バッテリ４５と、電力分配装置４３及び電圧降圧器４７と、を電気的に接続又は遮断する。また、強電用電力遮断器４６には、強電バッテリ４５から取り出される電流（以下「バッテリ出力電流」という。）を検出する電流センサ４６１と、強電バッテリ４５の出力電圧（以下「バッテリ出力電圧」という。）を検出する電圧センサ４６２と、が設けられる。

電圧降圧器４７は、印加電圧を降圧して弱電系の各電気部品に電力を供給する。本実施形態では電圧降圧器４７としてＤＣ／ＤＣコンバータを使用している。

弱電バッテリ４８は、充放電可能な二次電池である。弱電バッテリ４８は、燃料電池スタック１で発電が行われていない燃料電池システム１００の始動処理時及び停止処理時に、弱電系の電気部品に供給するための電力を蓄える。本実施形態では、出力電圧が１４［Ｖ］程度の鉛蓄電池を弱電バッテリ４８として使用している。

弱電用電力遮断器４９は、コントローラ５によって開閉制御されて、電圧降圧器４７及び弱電バッテリ４８と、弱電気の各電気部品と、を電気的に接続または遮断する。

コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ５には、前述した第１電流センサ１３、第２電流センサ４６１、第１電圧センサ１４、第２電圧センサ４６２、温度センサ４５１、ＳＯＣセンサ４５２の他にも、カソードコンプレッサ２３の回転速度を検出する回転速度センサ６１や、燃料電池システム１００の始動停止要求を検出する始動スイッチ６２などの、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。

コントローラ５は、始動スイッチ６２がオフになったとき、すなわち燃料電池システム１００の停止要求があったときに、所定の停止シーケンス処理を実施して燃料電池システム１００を停止させる。一方、始動スイッチ６２がオンになったとき、すなわち燃料電池システム１００の始動要求があったときに、所定の始動シーケンス処理を実施して燃料システムを始動させる。

停止シーケンス処理は、具体的には始動スイッチ６２がオフにされた後、燃料電池スタック１を乾燥させる乾燥処理、スタック出力電圧を所定の制限電圧まで低下させる停止ＶＬＣ（Voltage Limit Control）処理、燃料電池スタック１での発電を停止させる発電停止処理、強電系への電力供給を遮断する強電停止処理、弱電系への電力供給を遮断する弱電停止処理を順番に行って、燃料電池システム１００を完全に停止させる処理である。

始動シーケンス処理は、具体的には始動スイッチ６２がオンにされた後、弱電系への電力供給を開始する弱電起動処理、強電系への電力供給を開始する強電起動処理、燃料電池スタック１の起動準備を行うスタック起動処理を順番に行って、燃料電池スタック１での発電を開始させる処理である。

本実施形態では、この停止シーケンス処理及び始動シーケンス処理中に、バイパス弁２７の弁体を全閉位置に制御する。以下その理由について説明する。

前述したように、バイパス弁２７は、その開度がステッピングモータ２７１によって段階的に調整される開閉弁である。

ステッピングモータ２７１には、実際の回転位置を直接検出する手段がないので、燃料電池システム１００の始動直後は、バイパス弁２７の開度、すなわちバイパス弁２７の弁体位置が不明な状態となっている。そのため、燃料電池システム１００の始動時には、燃料電池スタック１での発電を開始する前に、ステッピングモータ２７１を逆回転させてバイパス弁２７の弁体を弁座に押し当て、バイパス弁２７の開度を全閉にすることで弁体の位置を把握する初期化処理が必要となる。

一度初期化処理を実施することで、次に燃料電池システム１００が停止されるまでは、ステッピングモータ２７１に入力されるパルス信号数に応じてステップ数を演算することができるので、バイパス弁２７の開度を把握することができる。

ここで、初期化処理の実施前はバイパス弁２７の弁体位置が不明な状態となっているため、バイパス弁２７を確実に弁座に押し当ててバイパス弁２７を全閉にするためには、ステッピングモータ２７１を少なくとも全開ステップ数だけ逆方向に回転させる必要がある。

そうすると、初期化処理の実施中において、弁体が弁座に到達した後も、ステッピングモータ２７１が逆方向に回転させられる状態が起こりうる。弁体が弁座に到達した後も、ステッピングモータ２７１が逆方向に回転させられると、弁体が弁座に押し付けられ続けることによって部品磨耗が大きくなると共に、音振性能も悪化する。また、弁座が弁体に跳ね返されて脱調が生じるおそれがある。

そのため、初期化処理時は、ステッピングモータ２７１の回転速度を通常時よりも遅くして、このような部品磨耗や音振性能の悪化、脱調の発生を抑制する必要がある。なお、ここでいう通常時とは、燃料電池スタック１で発電を実施して、その発電電力で燃料電池システム１００を運転しているときをいう。

バイパス弁２７は、バイパス通路２６に流れるカソードガスの流量を制御することで、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を制御するものである。したがって、バイパス弁２７の初期化処理は、燃料電池スタック１で発電を開始する前に実施する必要がある。しかしながら、通常時より遅い速度でステッピングモータ２７１を全開ステップ数だけ逆回転させると時間がかかり、燃料電池システム１００が始動された後、燃料電池スタック１で発電を開始するまでの時間が長くなる。そうすると、結果として燃料電池システム１００が始動されてから暖機が完了するまでの時間が長くなるので、始動されてから走行許可が出るまでの時間が長くなって、商品性が悪化する。

そこで本実施形態では、停止シーケンス処理の実施中において、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する必要がなくなってバイパス弁２７の制御が不要になった時点で、停止シーケンス処理と並行して、バイパス弁２７が全閉となるようにステッピングモータ２７１を制御する停止時全閉処理を実施することとした。

そして、次回燃料電池システム１００が始動されたときの始動シーケンス処理の実施中において、バイパス弁２７のステッピングモータ２７１に電力供給が可能になった時点で、始動シーケンス処理と並行して、全開ステップ数よりも少ない所定の初期化ステップ数だけステッピングモータ２７１を逆方向に回転させて、バイパス弁２７を初期化する最小初期化処理を実施することとした。本実施形態では初期化ステップ数を８程度に設定してある。

このように、燃料電池システム１００の停止時に予めバイパス弁２７を全閉にしておくことで、燃料電池のシステムの始動時に、全開ステップ数よりも少ない初期化ステップ数でバイパス弁２７を初期化することができる。

そのため、バイパス弁２７の初期化に必要な時間を短縮することができ、燃料電池システム１００が始動された後、燃料電池スタック１で発電を開始するまでの時間を短縮することができる。

また、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が終了するように、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する必要がなくなってバイパス弁２７の制御が不要になった時点で停止シーケンス処理と並行して停止時全閉処理を実施するので、停止シーケンス処理の一つとして停止時全閉処理が追加されることがない。そのため、停止シーケンス処理の実施時間が延びることがない。

以下、この燃料電池システム１００の停止シーケンス処理中に実施される停止時全閉処理、及び、燃料電池システム１００の始動シーケンス処理中に実施される最小初期化処理の制御内容について説明する。

図２は、本実施形態による停止時全閉処理の制御内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転中に、停止時全閉処理を実施することができないような異常が発生したか否かを判定する。コントローラ５は、異常が発生していれば、ステップＳ２の処理を実施する。一方、異常が発生していなければ、ステップＳ３の処理を実施する。

ステップＳ２において、コントローラ５は、停止シーケンス処理中における停止時全閉処理の実施を中止する。

ステップＳ３において、コントローラ５は、乾燥処理が終了したかを判定する。乾燥処理とは、次回の始動時に備えて燃料電池スタック１の発電電力でカソードコンプレッサ２３を所定時間駆動し、燃料電池スタック１の内部の水分をシステム外部に排出する処理である。これにより、燃料電池スタック１の内部の水分が凍結することによる始動性の悪化を防止している。コントローラ５は、乾燥終了していなければ今回の処理を終了し、乾燥処理が終了していればステップＳ４の処理を実施する。

ステップＳ４において、コントローラ５は、カソードコンプレッサ２３への通電量をゼロとし、カソードコンプレッサ２３を停止させる。

ステップＳ５において、コントローラ５は、カソードコンプレッサ２３の回転速度Ｎが停止判定回転速度Ｎｓ以下になったか否かを判定する。コントローラ５は、カソードコンプレッサ２３の回転速度Ｎが停止判定回転速度Ｎｓより高ければ今回の処理を終了する。一方で、カソードコンプレッサ２３の回転速度Ｎが停止回転速度Ｎｓ以下であればステップＳ６の処理を行う。

ステップＳ６において、コントローラ５は、バイパス弁２７のステッピングモータ２７１のステップ数が初期化ステップ数以下か否かを判定する。コントローラ５は、ステッピングモータ２７１のステップ数が初期化ステップ数よりも大きければステップＳ７の処理を行い、初期化ステップ数以下であればステップＳ８の処理を行う。

ステップＳ７において、コントローラ５は、ステップ数が初期化ステップ数となるように、通常時の回転速度でステッピングモータ２７１を逆方向に回転させる。

ステップＳ８において、コントローラ５は、ステップ数がゼロとなるように、通常時よりも遅い回転速度でステッピングモータ２７１を逆方向に回転させる。

図３は、本実施形態による最小初期化処理の制御内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ１１において、コントローラ５は、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が実施されたか否かを判定する。コントローラ５は、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が実施されていればステップＳ１２の処理を実施する。一方で、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が実施されていなければステップＳ１３の処理を実施する。

ステップＳ１２において、コントローラ５は、ステッピングモータ２７１を、初期化ステップ数だけ通常時よりも遅い回転速度で逆方向に回転させる。このように、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が実施されたときに、初期化ステップ数だけステッピングモータ２７１を逆方向に回転させるのは、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が実施されていれば、次回始動時までにバイパス弁２７の弁体位置が全閉位置からずれたとしても全閉位置近傍にあると推測でき、全開ステップ数よりも少ない初期化ステップ数だけ逆方向に回転させるだけで、十分に弁体を弁座に押し当てることができるためである。

ステップＳ１３において、コントローラ５は、ステッピングモータ２７１を、全開ステップ数だけ通常時よりも遅い回転速度で逆方向に回転させる。このように、停止シーケンス処理中に停止時全閉処理が実施されなかったときに、全開ステップ数だけステッピングモータ２７１を逆方向に回転させるのは、バイパス弁２７の弁体位置が不明なためである。

図４は、本実施形態による停止シーケンス処理の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で、始動スイッチ６２がオフにされると、乾燥処理が実施される。乾燥処理中は、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスが供給され、燃料電池スタック１の発電電力によってカソードコンプレッサ２３が駆動される。

時刻ｔ２で、乾燥処理が終了すると、停止ＶＬＣ処理を行うために、カソードコンプレッサ２３への通電を停止する。

時刻ｔ３で、カソードコンプレッサ２３の回転速度が停止判定回転速度Ｎｓまで低下すると、停止時全閉処理が実施され、バイパス弁２７が全閉に制御される。このように、カソードコンプレッサ２３を停止した後に停止時全閉処理を実施するのは、カソードコンプレッサ２３の駆動中は、バイパス弁２７の開度を制御する必要があるためである。

また時刻ｔ３では、同時に停止ＶＬＣ処理が実施される。停止ＶＬＣ処理は、カソードガスの供給を停止した後に、アノードガスのみを供給して発電を実施することで燃料電池スタック１内のカソードガスを消費し、スタック出力電圧を制限電圧まで低下させる処理である。これにより、スタック出力電圧が高い状態のまま燃料電池システム１００が停止されたことによって生じる燃料電池の触媒の劣化を防止することができる。

時刻ｔ４で、スタック出力電圧が制限電圧まで低下すると、発電停止処理が実施され、アノード調圧弁３４を全閉にした後、遮断弁３３が全閉にされる。そして最後にスタック用電力遮断器４４が遮断される。

時刻ｔ５で、発電停止処理が終了すると、強電停止処理が実施され、強電用電力遮断器４６を遮断するための準備が行われる。

時刻ｔ６で、強電停止処理が終了して強電用電力遮断器４６が遮断されると、弱電停止処理が実施され、弱電用電力遮断器４９を遮断するための準備が行われる。

カソードコンプレッサ２３の駆動が停止されてから弱電停止処理を開始するまで時刻ｔ３から時刻ｔ６の間が、バイパス弁２７の停止時全閉処理の実施が可能な期間となる。

時刻ｔ７で、弱電停止処理が終了すると、弱電用電力遮断器４９が遮断される。これにより、燃料電池システム１００が完全に停止される。

図５は、本実施形態による始動シーケンス処理の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１１で、始動スイッチ６２がＯＮにされると、弱電用電力遮断器４９が接続され、弱電起動処理が開始される。弱電起動処理では、コントローラ５の自己診断や弱電用電力遮断器４９の固着診断などが実施される。

時刻ｔ１２で、弱電起動処理が終了すると、強電用電力遮断器４６が接続されて強電起動処理が開始されると共に、バイパス弁２７の最小初期化処理が開始される。このように、弱電起動処理の終了と同時に最小初期化処理を開始するのは、弱電起動処理が終了した時点で弱電バッテリの電力をバイパス弁２７のステッピングモータ２７１に供給可能となり、最小初期化処理の実施が可能となるためである。

なお、強電起動処理では、強電用電力遮断器４６の固着診断や、バッテリ出力電圧が所定電圧以上まで上がっているかなどの判断が実施される。

時刻ｔ１３で、強電起動処理が終了すると、スタック起動処理が実施され、遮断弁３３が開かれた後、スタック用電力遮断器４４が接続される。その後、アノード調圧弁３４が開かれると共に、カソードコンプレッサ２３が駆動され、燃料電池スタック１の発電が開始される。

弱電起動処理が終了されてから、カソードコンプレッサ２３を駆動して燃料電池スタック１にカソードガスを供給するまでの時刻ｔ１２から時刻ｔ１４までの間が、バイパス弁２７の最小初期化処理の実施が可能な範囲となる。

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システムの停止要求があったときに、ステッピングモータ２７１を制御してバイパス弁２７を所定の初期化位置に制御し、燃料電池システムの始動要求があったときに、バイパス弁２７が初期化位置に向けて移動するように、ステッピングモータ２７１の最大ステップ数よりも少ない所定の初期化ステップ数だけステッピングモータ２７１を回転させることした。このように、燃料電池システムの停止時に予めバイパス弁２７を初期化位置に制御しておくことで、始動時において、通常よりも少ないステップ数で初期化を終了させることができる。よって、バイパス弁２７の初期化に要する時間を短縮することができ、燃料電池システムの起動時間を短くすることができる。

より具体的には、燃料電池システムの停止シーケンス処理中にバイパス弁２７を全閉位置に制御しておき、次回燃料電池システム１００の始動要求があったときは、始動シーケンス処理中に、全開ステップ数よりも少ない初期化ステップ数だけステッピングモータ２７１を逆回転させてバイパス弁２７を初期化することとした。

これにより、燃料電池システム１００の始動時におけるバイパス弁２７の初期化時間を短縮することができるので、燃料電池システム１００が始動された後、燃料電池スタック１で発電を開始するまでの時間を短縮できる。よって、燃料電池システム１００が始動されてから暖機が完了するまでの時間を短縮でき、始動されてから走行許可が出るまでの時間を短くすることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００の始動時にバイパス弁２７を初期化するときは、通常時よりも遅い速度でステッピングモータ２７１を回転させることしたので、バイパス弁２７の弁体が弁座に押し当てられたときの部品磨耗や音振、脱調の発生の発生を抑制することができる。

さらに、全開ステップ数よりも少ない初期化ステップ数でバイパス弁２７を初期化するので、バイパス弁２７の弁体が弁座に押し当てられる時間も短くなるので、部品磨耗や音振、脱調の発生の発生をより一層抑制することができる。

また、本実施形態によれば、弱電起動処理が終了した時点、すなわち、バイパス弁２７のステッピングモータ２７１に電力供給が可能となった時点でバイパス弁２７の初期化を開始することとした。

このように、バイパス弁２７のステッピングモータ２７１に電力供給が可能となった時点で速やかにバイパス弁２７の初期化を開始させることで、バイパス弁２７の初期化のために、燃料電池スタック１での発電開始が遅れるのを抑制することができる。つまり、弱電起動処理後の強電起動処理及びスタック起動処理の間にバイパス弁２７の初期化を終了させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００の運転中に、停止時全閉処理を実施することができないような異常が発生したときは、始動時に全開ステップ数だけステッピングモータ２７１を逆回転させてバイパス弁２７を初期化することとした。

これにより、燃料電池システム１００の始動時に、確実にバイパス弁２７を初期化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記の実施形態では、バイパス弁２７の初期化位置を全閉位置としたが、初期化位置は全開位置であっても良い。

また、上記実施形態では、バイパス弁２７について説明したが、ステッピングモータによって駆動されるバルブであればバイパス弁２７に限られるものではない。

本願は、２０１２年６月１３日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−１３４０５６号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システム内に設けられ、ステッピングモータによって駆動されるバルブと、
   前記燃料電池システムの停止要求があったときに、前記ステッピングモータを制御して前記バルブの弁体を所定の初期化位置に制御する停止時バルブ制御部と、
   前記燃料電池システムの始動要求があったときに、前記バルブの弁体が前記初期化位置に向けて移動するように、前記ステッピングモータの最大ステップ数よりも少ない所定の初期化ステップ数だけ前記ステッピングモータを回転させるバルブ初期化部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記バルブ初期化部は、
   前記初期化ステップ数だけ前記ステッピングモータを回転させるときは、前記ステッピングモータの回転速度を通常時よりも遅くする、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムの始動要求があったときに、所定の始動シーケンス処理を実施した後に前記燃料電池による発電を開始するシステム始動部を備え、
   前記バルブ初期化部は、
   前記始動シーケンス処理中に、前記初期化ステップ数だけ前記ステッピングモータを回転させる、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムの運転中に前記バルブを操作できなくなる異常が発生したときは、停止時バルブ制御を禁止する停止時バルブ制御禁止部と、
   停止時バルブ制御が禁止されたときは、前記バルブの弁体が前記初期化位置に向けて移動するように、前記ステッピングモータの最大ステップ数だけ前記ステッピングモータを回転させる異常時バルブ初期化部と、
   を備える請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記初期化位置は、前記バルブの全閉位置である、
   請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

Images