WO2014017496A1

WO2014017496A1 - 燃料電池システム

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Publication number: WO2014017496A1
Application number: PCT/JP2013/069938
Authority: WO
Inventors: 文雄各務
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2014-01-30
Also published as: EP2879220B1; JPWO2014017496A1; CN104488123A; US20150188170A1; EP2879220A1; US9935326B2; EP2879220A4; JP5804205B2; CN104488123B

Abstract

　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は、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池からの電流取り出しを停止するアイドルストップ部と、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池からの電流取り出しを再開するアイドルストップ復帰部と、を備える。アイドルストップ復帰部は、アイドルストップからの復帰前の燃料電池の出力電圧に基づいて、アイドルストップ復帰後に燃料電池から取り出す電流を制限する。

Description

燃料電池システム

　本発明は燃料電池システムに関する。

　ＪＰ２００４－１７２０２８Ａには、従来の燃料電池システムとして、アイドルストップ中の燃料電池スタックの出力電圧を高電位に維持するものが開示されている。

　しかしながら、アイドルストップ中の燃料電池スタックの出力電圧を高電位に維持すると、アイドルストップからの復帰時に、過渡的に出力電圧が低下するという問題が生じることがわかった。

　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、アイドルストップからの復帰時における出力電圧の低下を抑制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が提供される。燃料電池システムは、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池からの電流取り出しを停止するアイドルストップ部と、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池からの電流取り出しを再開するアイドルストップ復帰部と、を備える。アイドルストップ復帰部は、アイドルストップからの復帰前の燃料電池の出力電圧に基づいて、アイドルストップ復帰後に燃料電池から取り出す電流を制限する。

図１は、本発明の第１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、アイドルストップ中における燃料電池スタック内のカソード側の酸素濃度と、セル電圧と、の関係を示した図である。図３は、アイドルストップからの復帰時に燃料電池スタックから所定の電力を取り出したときの出力電圧の降下度合いを、復帰直前の燃料電池スタックの出力電圧に応じて比較した図である。図４は、本発明の第１実施形態によるアイドルストップ制御について説明するフローチャートである。図５は、本発明の第１実施形態によるＩＳ処理について説明するフローチャートである。図６は、本発明の第１実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。図７は、燃料電池スタックの出力電圧に基づいて、最大取出可能電流を算出するテーブルである。図８は、本発明の第２実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。図９は、アイドルストップからの復帰後の過渡時における電流取り出しプロファイルを示す図である。図１０は、本発明の第３実施形態によるＩＳ処理について説明するフローチャートである。図１１は、本発明の第３実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。図１２は、ＩＳ時間に基づいて、燃料電池スタックの出力電圧を推定するテーブルである。図１３は、燃料電池の電解質膜の温度と、アイドルストップ中の出力電圧の降下速度と、の関係を示した図である。図１４は、本発明の第４実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。図１５は、燃料電池の電解質膜の含水率と、アイドルストップ中の出力電圧の降下速度と、の関係を示した図である。図１６は、本発明の第５実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。

　以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。

　（第１実施形態）
　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、本実施形態による燃料電池システム１００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、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６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。

　アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、アノードガス排出通路２４と、アノードガス還流通路２５と、リサイクルコンプレッサ２６と、排出弁２７と、を備える。

　高圧タンク２１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２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路であって、一端が高圧タンク２１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。

　アノード調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２３は、コントローラ６によって開閉制御され、高圧タンク２１からアノードガス供給通路２２に流れ出した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２４は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが流れる通路であって、一端が燃料電池スタック１１のアノードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素などの不活性ガスと、の混合ガスである。

　アノードガス還流通路２５は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻すための通路である。アノードガス還流通路２５は、一端が排出弁２７よりも上流側のアノードガス排出通路２４に接続され、他端がアノード調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に接続される。

　リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス還流通路２５に設けられる。リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻す。

　排出弁２７は、アノードガス排出通路２４とアノードガス還流通路２５との接続部よりも下流側のアノードガス排出通路２４に設けられる。排出弁２７は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードオフガスや凝縮水を燃料電池システム１００の外部へ排出する。

　カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、カソードコンプレッサ３４と、エアフローセンサ３５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）３６と、カソード調圧弁３７と、を備える。

　カソードガス供給通路３１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３１は、一端がフィルタ３３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。

　カソードガス排出通路３２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３２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。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

　フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１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３４は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３４は、フィルタ３３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３１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

　エアフローセンサ３５は、カソードコンプレッサ３４よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３５は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。

　ＷＲＤ３６は、カソードガス供給通路３１及びカソードガス排出通路３２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路３１を流れるカソードガスを加湿する。

　カソード調圧弁３７は、ＷＲＤ３６よりも下流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁３７は、コントローラ５によって開閉制御され、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。

　スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、入口水温センサ４６と、出口水温センサ４７と、を備える。

　冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

　ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

　バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

　三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

　循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

　入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「入口水温」という。）を検出する。

　出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路４１に設けられる。出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「出口水温」という。）を検出する。

　電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、ジャンクションボックス５７と、を備える。

　電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

　電圧センサ５２は、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「出力電圧」という。）を検出する。

　駆動モータ５３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５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５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５４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５４の半導体スイッチは、コントローラ６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５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５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５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

　バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び駆動モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてリサイクルコンプレッサ２６やカソードコンプレッサ３４などの補機類及び駆動モータ５３に供給される。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ５６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。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。

　ジャンクションボックス５７は、コントローラ６によって開閉制御されるスイッチ５７１を内部に備える。このスイッチ５７１を接続することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力の取り出しが可能となる。

　コントローラ６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６には、前述したエアフローセンサ３５や入口水温センサ４６、出口水温センサ４７、電流センサ５１、電圧センサ５２の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」）を検出するアクセルストロークセンサ６１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６は、これら各種センサの検出信号に基づいて、駆動モータ５３及び補機類など、燃料電池システム１００を運転するために必要な電力（以下「システム要求電力」という。）を算出する。

　コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電効率が低下する低負荷領域、すなわち、システム要求電力が所定値以下の領域において、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止すると共に燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止し、バッテリ５５の電力によって駆動モータ５３及び補機類を駆動するアイドルストップを実施する。そして、コントローラ６は、アイドルストップ中に例えばアクセルペダルが踏み込まれ、システム要求電力が所定値よりも大きくなると、燃料電池スタック１からの電力取り出しを再開し、アイドルストップから復帰させる。

　ここで、アイドルストップからの復帰時において、燃料電池スタック１内の酸素不足に起因する発電遅れ（過渡性能の悪化）を抑制するために、カソードガスの応答遅れ（カソードコンプレッサ３４を駆動してから燃料電池スタック１内の酸素濃度が上昇するまでの遅れ）を考慮し、アイドルストップ中において、燃料電池スタック１内のカソード側の酸素濃度を所定濃度以上に維持する方法がある。これは、アイドルストップ中における燃料電池スタック１の出力電圧と、燃料電池スタック１内のカソード側の酸素濃度と、に相関関係があることに着目し、アイドルストップ中における燃料電池スタック１の出力電圧を所定電圧以上に維持するものである。

　図２は、アイドルストップ中における燃料電池スタック１内のカソード側の酸素濃度と、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池の電圧（以下「セル電圧」という。）と、の関係を示した図である。

　アイドルストップが実施されると、燃料電池スタック１からの電力取り出しが禁止されるので、セル電圧は一時的に開放端電圧（Open Circuit Voltage）（０．９５［Ｖ］程度）まで上昇する。そして、アイドルストップ中は、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給が停止されると共に、アノード側からカソード側へと電解質膜を介して透過してきたアノードガスが、カソード側に残存するカソードガスと反応する。その結果、カソード側の酸素濃度が徐々に低下し、それに伴ってセル電圧が開放端電圧から徐々に低下していく。

　ここで、図２に示すように、燃料電池スタック１内のカソード側の酸素濃度が１％であっても、セル電圧は０．９［Ｖ］を超えている。そのため、燃料電池スタック１内のカソード側の酸素濃度を所定濃度以上に維持しようとすると、アイドルストップ中において、セル電圧を開放端電圧に近い高電位に維持する必要がある。

　しかしながら、セル電圧を開放端電圧に近い高電位に維持すると、各燃料電池の電極中の白金が溶解し、各燃料電池が劣化することが知られている。セル電圧を、このような白金の溶解を抑制可能な電圧（約０．８５［Ｖ］）まで下げようとすると、燃料電池スタック１内のカソード側の酸素濃度が１％未満となって、アイドルストップからの復帰時における発電遅れ抑制の効果はほとんど見込めなくなる。

　そして、発明者らの鋭意研究の結果、セル電圧を、このような白金の溶解を抑制可能な電圧（約０．８５［Ｖ］）にしていたとしても、セル電圧が所定電圧（例えば０．７［Ｖ］）以上の状態が続くと、各燃料電池の電極中に含まれる白金触媒の表面が酸化被膜に覆われて各燃料電池のＩＶ特性（電流電圧特性）が低下し、アイドルストップからの復帰時において、燃料電池スタック１の出力電圧が過渡的に低下することがさらにわかった。以下、この問題点について図３を参照して説明する。

　図３は、アイドルストップからの復帰時に燃料電池スタック１から所定の電力を取り出したときの出力電圧の降下度合いを、復帰直前の燃料電池スタック１の出力電圧に応じて比較した図である。

　図３に示すように、アイドルストップからの復帰直前の燃料電池スタック１の出力電圧が高いときほど、アイドルストップから復帰時において、過渡的に燃料電池スタック１の出力電圧が低下していることが分かる。

　これは、各燃料電池の出力電圧が所定電圧（例えば０．７［Ｖ］）以上の状態が続くと、各燃料電池の電極中に含まれる白金触媒の表面が酸化被膜に覆われて各セルのＩＶ特性（電流電圧特性）が低下し、その所定電圧以下の状態が続くと、徐々に酸化被膜が除去されて各燃料電池のＩＶ特性が回復するためと考えられる。

　このように、アイドルストップからの復帰時に燃料電池スタック１から電力を取り出したときの出力電圧の降下度合いが大きくなると、アイドルストップからの復帰時において、過渡的に燃料電池スタック１の出力電圧が駆動モータ５３の最低動作電圧を下回るおそれがある。そうすると、駆動モータ５３を駆動することができなくなるので、運転性の悪化やシステムフェールにつながる。

　そこで本実施形態では、アイドルストップ中は基本的に各燃料電池の出力電圧を高電位に維持せずに、アイドルストップからの復帰直前のスタック出力電圧に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電力を制限することとした。以下、この本実施形態によるアイドルストップ制御について説明する。

　図４は、本実施形態によるアイドルストップ制御について説明するフローチャートである。コントローラ６は、このルーチンを所定の演算周期（例えば１０[ｍｓ]）で実施する。

　ステップＳ１において、コントローラ６は、前述した各種センサの検出値を読み込む。

　ステップＳ２において、コントローラ６は、アクセル操作量に基づいて、駆動モータ５３を駆動するために必要な電力（以下「モータ要求電力」という。）を算出する。

　ステップＳ３において、コントローラ６は、駆動されている補機類の消費電力（以下「補機消費電力」という。）を算出する。

　ステップＳ４において、コントローラ６は、モータ要求電力に補機消費電力を加算して、システム要求電力を算出する。

　ステップＳ５において、コントローラ６は、アイドルストップ復帰フラグ（以下「ＩＳ復帰フラグ」という。）が１に設定されているか否かを判定する。ＩＳ復帰フラグは、アイドルストップからの復帰時に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラ６は、ＩＳ復帰フラグが０に設定されていればステップＳ６の処理を行い、１に設定されていればステップＳ１３の処理を行う。

　ステップＳ６において、コントローラ６は、アイドルストップ実施フラグ（以下「ＩＳ実施フラグ」という。）が１に設定されているか否かを判定する。ＩＳ実施フラグは、アイドルストップの実施中に１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラ６は、ＩＳ実施フラグが０に設定されていればステップＳ７の処理を行い、１に設定されていればステップＳ１１の処理を行う。

　ステップＳ７において、コントローラ６は、システム要求電力がアイドルストップ実施電力（以下「ＩＳ実施電力」という。）以下か否かを判定する。コントローラ６は、システム要求電力がＩＳ実施電力よりも大きければアイドルストップを実施せずにステップＳ８の処理を行う。一方で、要求出力がＩＳ実施電力以下のときは、燃料電池スタック１の発電効率が低下するため、アイドルストップを実施すべくステップＳ９の処理を行う。

　ステップＳ８において、コントローラ６は、予め実験等で求めておいた燃料電池スタック１のＩＶ特性に基づいて、燃料電池スタック１の発電電力がシステム要求電力となるように、燃料電池スタック１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御する。

　ステップＳ９において、コントローラ６は、ＩＳ実施フラグを１に設定する。

　ステップＳ１０において、コントローラ６は、アイドルストップ処理（以下「ＩＳ処理」という。）を実施する。ＩＳ処理の詳細については、図５を参照して説明する。

　ステップＳ１１において、コントローラ６は、システム要求電力がＩＳ実施電力よりも大きくなったか否かを判定する。コントローラ６は、システム要求電力がＩＳ実施電力以下であれば、アイドルストップを継続すべくステップＳ１０の処理を行う。一方で、システム要求電力がＩＳ実施電力よりも大きければ、アイドルストップから復帰すべくステップＳ１２の処理を行う。

　ステップＳ１２において、コントローラ６は、ＩＳ実施フラグを０に設定する。

　ステップＳ１３において、コントローラ６は、アイドルストップ復帰処理（以下「ＩＳ復帰処理」という。）を実施する。ＩＳ復帰処理の詳細については、図６を参照して説明する。

　図５は、ＩＳ処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ１０１において、コントローラ６は、ジャンクションボックス５７のスイッチ５７１を開き、燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止する。

　ステップＳ１０２において、コントローラ６は、アイドルストップ中にアノード側からカソード側へと透過していくアノードガス量と同量のアノードガスがアノード側に供給されるように、アノード調圧弁２３の開度及びリサイクルコンプレッサ２６の回転速度を、予め実験等で定められた所定の開度及び回転速度に制御する。

　ステップＳ１０３において、コントローラ６は、カソードコンプレッサ３４を停止する。

　ステップＳ１０４において、コントローラ６は、バッテリ５５の電力で駆動モータ５３及び補機類を駆動する。

　図６は、ＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ１３１において、コントローラ６は、ＩＳ復帰フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ６は、ＩＳ復帰フラグが０に設定されていればステップＳ１３２の処理を行い、１に設定されていればステップＳ１３８の処理を行う。

　ステップＳ１３２において、コントローラ６は、図７のテーブルを参照し、アイドルストップからの復帰直前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、アイドルストップからの復帰時に燃料電池スタック１から取り出すことができる電流の上限値（以下「最大取出可能電流」という。）を算出する。

　ステップＳ１３３において、コントローラ６は、最大取出可能電流に基づいて、アイドルストップからの復帰時に燃料電池スタック１から取り出すことができる電力の上限値（以下「制限電力」という。）を算出する。

　ステップＳ１３４において、コントローラ６は、システム要求電力が制限電力よりも大きいか否かを判定する。コントローラ６は、システム要求電力が制限電力以下であればステップＳ１３５の処理を行う。一方で、システム要求電力が制限電力よりも大きければステップＳ１３６の処理を行う。

　ステップＳ１３５において、コントローラ６は、予め実験等で求めておいた燃料電池スタック１のＩＶ特性に基づいて、燃料電池スタック１の発電電力がシステム要求電力となるように、燃料電池スタック１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御する。

　ステップＳ１３６において、コントローラ６は、予め実験等で求めておいた燃料電池スタック１のＩＶ特性に基づいて、燃料電池スタック１の発電電力が制限電力となるように、燃料電池スタック１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御する。これにより、燃料電池スタック１の出力電流が最大取出可能電流に制限されることになる。

　ステップＳ１３７において、コントローラ６は、ＩＳ復帰フラグを１に設定する。

　ステップＳ１３８において、コントローラ６は、ＩＳ復帰フラグが１に設定されてからの経過時間、すなわちアイドルストップから復帰してからの経過時間（以下「ＩＳ復帰後経過時間」という。）を算出する。

　ステップＳ１３９において、コントローラ６は、ＩＳ復帰後経過時間が所定値以上になったか否かを判定する。この所定値は、アイドルストップからの復帰時において、過渡的に出力電圧が低下した後、その出力電圧が定常状態に戻るまでの時間であり、予め実験等によって定められた値である。コントローラ６は、ＩＳ復帰後経過時間が所定値未満であれば、今回の処理を終了する。一方で、ＩＳ復帰後経過時間が所定値以上であれば、ステップＳ１４０の処理を行う。

　ステップＳ１４０において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電電力の制限を解除する。

　ステップＳ１４１において、コントローラ６は、ＩＳ復帰後経過時間を０にリセットする。

　ステップＳ１４２において、コントローラ６は、ＩＳ復帰フラグを０に設定する。

　以上説明した本実施形態によれば、アイドルストップからの復帰前の燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、アイドルストップ復帰後に燃料電池スタック１から取り出す電流を制限することとした。具体的には、燃料電池スタック１から取り出す電力の上限を設定することとで、燃料電池スタック１から取り出す電流を制限することとした。

　これにより、アイドルストップからの復帰時における出力電圧の低下を抑制することができる。

　また、アイドルストップからの復帰時において、過渡的に燃料電池スタック１の出力電圧が駆動モータ５３の最低動作電圧を下回るのを防止できるので、運転性の悪化やシステムフェールが起きるのを防止できる。また、アイドルストップ中にセル電圧を高電位に維持することなく白金触媒の酸化被膜が除去される低電位まで低下させるので、アイドルストップ中に白金触媒が溶解するのを抑制できると共に、アイドルストップからの復帰後においても白金触媒が酸化被膜に覆われていることによる一時的なＩＶ性能の低下を抑制できる。その結果、アイドルストップから復帰した後の出力性能の低下を抑制することができる。

　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、アイドルストップからの復帰前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、アイドルストップからの復帰後の過渡時における電流取り出しプロファイルを決定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

　図８は、本実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ２３１において、コントローラ６は、アイドルストップからの復帰直前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、図９に示すようにアイドルストップからの復帰後の過渡時における電流取り出しプロファイルを決定する。

　電流取り出しプロファイルは、アイドルストップからの復帰直前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧が高いときほど、アイドルストップからの復帰後の過渡時における出力電流が低くなるように設定される。また、電流取り出しプロファイルは、アイドルストップからの復帰後の過渡時における電解質膜の含水率（湿潤度）の変化やカソードガスの応答遅れを考慮して設定される。

　ステップＳ２３２において、コントローラ６は、決定した電流取り出しプロファイルを参照し、ＩＳ復帰後経過時間に基づいて、電力電池スタックの取り出し電流を決定する。

　ステップＳ２３３において、コントローラ６は、ステップＳ２３２で決定した取り出し電流に基づいて燃料電池スタック１の目標発電電力を算出し、燃料電池スタック１の発電電力がその目標発電電力となるように、燃料電池スタック１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで制御する。

　以上説明した本実施形態によれば、アイドルストップからの復帰前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、アイドルストップからの復帰後の過渡時における電流取り出しプロファイルを決定することとした。

　この電流取り出しプロファイルは、アイドルストップからの復帰前に検出した燃料電池スタック１の出力電圧が高いときほど、アイドルストップからの復帰後の過渡時における出力電流が低くなるように設定される。また、電流取り出しプロファイルは、アイドルストップからの復帰後の過渡時における電解質膜の湿潤状態（含水率）の変化やカソードガスの応答遅れを考慮して設定される。

　したがって、アイドルストップからの復帰後の過渡時において、燃料電池スタック１の出力電圧が駆動モータ５３の最低動作電圧を下回るのを防止できるとともに、過渡時の燃料電池スタック１の状態に応じた最適な電流取り出し量を決定することができる。

　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、アイドルストップの継続時間（以下「ＩＳ時間」という。）に基づいて、アイドルストップ中の燃料電池スタック１の出力電圧を推定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

　アイドルストップ中は、アノード側からカソード側へと電解質膜を介してアノードガスが透過することによって、時間の経過と共に燃料電池スタック１の出力電圧が低下する。

　そこで本実施形態では、予め実験等によってアイドルストップ時間と燃料電池スタック１の出力電圧との関係を求めておくことで、アイドルストップ時間に基づいて、アイドルストップからの復帰直前の燃料電池スタック１の出力電圧を推定することとした。

　図１０は、本実施形態によるＩＳ処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ３０１において、コントローラ６は、ＩＳ実施フラグが１に設定されてからの経過時間、すなわちＩＳ時間を算出する。

　図１１は、本実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ３３１において、コントローラ６は、図１２のテーブルを参照し、ＩＳ時間に基づいて、アイドルストップからの復帰時における燃料電池スタック１の出力電圧を推定する。なお、図１２のテーブルは、燃料電池の電解質膜の温度及び含水率をある一定の基準値に保持した状態でのアイドルストップ中における出力電圧の変化を示したものである。

　ステップＳ３３２において、コントローラ６は、前述した図７のテーブルを参照し、推定出力電圧に基づいて、最大取出可能電流を算出する。

　ステップＳ３３３において、コントローラ６は、ＩＳ時間をゼロにリセットする。

　以上説明した本実施形態によれば、アイドルストップからの復帰前の燃料電池スタック１の出力電圧を、アイドルストップ中にカソードガスの供給を停止してからの経過時間（ＩＳ時間）に基づいて推定することした。これにより、電圧センサ５２を用いなくても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、ＩＳ時間に基づいて算出した推定出力電圧を、燃料電池スタック１の冷却水温に応じて補正する点で第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

　アノード側からカソード側へと透過するアノードガス量は、各燃料電池の電解質膜の温度が高くなるほど多くなる。そのため、図１３に示すように、各燃料電池の電解質膜の温度が高くなるほど、アイドルストップ中の出力電圧の降下速度が速くなる。

　そこで本実施形態では、電解質膜の温度を代表する燃料電池スタック１の冷却水温、具体的には入口水温と出口水温の平均温度（以下「入出口平均水温」という。）に基づいて、推定出力電圧を補正することとした。

　図１４は、本実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ４３１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の入出口平均水温に基づいて、推定出力電圧を補正する。具体的には、燃料電池スタック１の入出口平均水温が、図１２のテーブルを作成するにあたって基準とした電解質膜の温度よりも高ければ、推定出力電圧が低くなる方向に補正し、基準温度よりも低ければ推定出力電圧が高くなる方向に補正する。

　ステップＳ４３２において、コントローラ６は、前述した図７のテーブルを参照し、補正した推定出力電圧に基づいて、最大取出可能電流を算出する。

　以上説明した本実施形態によれば、ＩＳ時間に基づいて推定出力電圧を、燃料電池スタック１の温度（入出口平均水温）に応じて補正することとした。これにより、第３実施形態と同様の効果が得られるほか、燃料電池スタック１の状態に応じて精度良くアイドルストップ中の出力電圧を推定することができる。

　（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、ＩＳ時間に基づいて算出した推定出力電圧を、電解質膜の含水率（湿潤度）に応じて補正する点で第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

　アノード側からカソード側へと透過するアノードガス量は、各燃料電池の電解質膜の含水率が高くなるほど多くなる。そのため、図１５に示すように、各燃料電池の電解質膜の含水率が高くなるほど、アイドルストップ中の出力電圧の降下速度が速くなる。

　そこで本実施形態では、電解質膜の含水率を代表する燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、推定出力電圧を補正することとした。なお、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜の含水率が高くなるほど低くなる。

　図１６は、本実施形態によるＩＳ復帰処理について説明するフローチャートである。

　ステップＳ５３１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、推定出力電圧を補正する。具体的には、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが、図１２のテーブルを作成するにあたって基準とした電解質膜の含水率に相当する内部インピーダンスよりも低ければ、推定出力電圧が低くなる方向に補正し、基準内部インピーダンスよりも低ければ推定出力電圧が高くなる方向に補正する。

　なお、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの検出方法としては、交流インピーダンス法などの公知のいかなる手段を採用してもよい。

　ステップＳ５３２において、コントローラ６は、前述した図７のテーブルを参照し、補正した推定出力電圧に基づいて、最大取出可能電流を算出する。

　以上説明した本実施形態によれば、ＩＳ時間に基づいて算出した推定出力電圧を、燃料電池スタック１の湿潤度（燃料電池の電解質膜の湿潤度）に応じて補正することとした。これにより、第３実施形態と同様の効果が得られるほか、燃料電池スタック１の状態に応じて精度良くアイドルストップ中の出力電圧を推定することができる。

　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。

　例えば上記の第１実施形態では燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて最大取出可能電流を算出していが、以下のようにして算出しても良い。

　ここで、アノード側からカソード側へと透過するアノードガス量は、各燃料電池の電解質膜の厚さや温度、含水率に応じて変化するが、各燃料電池の電解質膜の厚さには、ある程度の製造バラつきがある。また、各燃料電池の電解質膜の温度や含水率も、場所に応じてある程度のバラつきが生じる。

　そこで、燃料電池スタック１の各燃料電池の電圧、又は、所定枚数の燃料電池群の電圧を検出し、その中で最も高いセル電圧、又は、セル群電圧に基づいて最大取出可能電流を算出しても良い。これにより、アイドルストップからの復帰時において、過渡的に燃料電池スタック１の出力電圧が駆動モータ５３の最低動作電圧を下回るのをより確実に防止できる。

　また、上記の各実施形態において、アイドルストップ中に一時的にカソードコンプレッサ３４を駆動しても良い。これは、カソードコンプレッサ３４から燃料電池スタック１まではカソードガス供給通路やＷＲＤなどのボリュームが存在するため、そのボリュームをカソードガスで置換するために行うものである。

　このように一時的にカソードコンプレッサ３４を駆動すると、燃料電池スタック１の出力電圧は開放端電圧まで上昇するので、アイドルストップ時間に応じて出力電圧を推定する場合は、カソードコンプレッサ３４を駆動した時点でアイドルストップ時間を０にリセットすれば良い。

　また、上記の各実施形態では、アイドルストップ中に一定量のアノードガスを供給していたが、カソードガスと共にアノードガスの供給も停止しても良い。

　また、上記の各実施形態では、アノードオフガスをアノードガス供給通路２２に戻す循環式の構成としていたが、このようなシステムに限らず、アノードオフガスをアノードガス供給通路２２に戻さないいわゆるデッドエンドシステムとしても良い。

　本願は、２０１２年７月２５日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－１６４６２６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

　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の運転状態に応じて、前記燃料電池からの電流取り出しを停止するアイドルストップ部と、
　前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記燃料電池からの電流取り出しを再開するアイドルストップ復帰部と、
を備え、
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　アイドルストップからの復帰前の前記燃料電池の出力電圧に基づいて、アイドルストップ復帰後に前記燃料電池から取り出す電流を制限する、
燃料電池システム。
　　前記アイドルストップ復帰部は、
　　アイドルストップからの復帰前の前記燃料電池の出力電圧が高いときほど、前記燃料電池から取り出す電流を小さくする、
請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　アイドルストップからの復帰前の前記燃料電池の出力電圧に基づいて設定された電流取り出しプロファイルに従って、前記燃料電池から取り出す電流を制限する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記電流プロファイルは、アイドルストップからの復帰前の前記燃料電池の出力電圧が高いときほど、前記燃料電池から取り出す電流が小さくなるように設定される、
請求項３に記載の燃料電池システム。
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　前記燃料電池の出力電圧が、前記燃料電池の電力によって駆動される車両走行用モータの最低動作電圧を下回らないように、前記燃料電池から取り出す電流を制限する、
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。
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　アイドルストップからの復帰前の前記燃料電池の出力電圧を、アイドルストップ中にカソードガスの供給を停止してからの経過時間に基づいて推定する、
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　推定した前記燃料電池の出力電圧を、その燃料電池の温度に応じて補正する、
請求項６に記載の燃料電池システム。
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　推定した前記燃料電池の出力電圧を、その燃料電池の湿潤度に応じて補正する、
請求項６に記載の燃料電池システム。
　前記燃料電池システムは、複数枚の燃料電池で構成された燃料電池スタックを備え、
　前記アイドルストップ復帰部は、
　　前記燃料電池スタックを構成する燃料電池のうち、最も高い出力電圧を示す燃料電池の電圧に基づいて、前記燃料電池から取り出す電流を制限する、
請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。