JP2008262784A - 燃料電池システム及びハイブリッド車両システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の温度を上昇させてフラッディング状態の防止あるいは解消を可能とすることである。
【解決手段】燃料電池システム３０は、燃料電池スタック４２を備える燃料電池システム本体部４０と制御部７０とを含んで構成される。制御部７０は、燃料電池システム３０の運転停止が所定温度に達する前に停止した昇温途上停止か否かを判断する昇温途上停止判断モジュール７２と、昇温途上停止であると判断された場合、燃料電池システム３０の次回始動時に低効率発電制御を行う始動時発電制御モジュール７６とを含んで構成される。また、昇温途上停止判断モジュール７２に代えて、燃料電池システム３０の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定するフラッディング推定モジュール７４を含む構成とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池を搭載するハイブリッド車両システムに関する。

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出す。この電気化学反応は、適当な湿度を要する。例えば、酸化ガスが乾きすぎて湿度が低すぎると、十分な電気化学反応が進行せず、逆に酸化ガスの湿度が高すぎると、いわゆるフラッディングが生じて、電気化学反応の進行が低下する。

ここでフラッディングとは、狭義では、燃料電池を構成するガス拡散層が水で覆われることを指すことが多いが、広義では、ガス拡散層のほかに触媒層、セパレータ等も含み、燃料電池のカソード側またはアノード側の少なくとも一方において、ガス流路が水で覆われることを指す。フラッディングの状態になると、ガス流路が水で覆われることから、酸化ガスあるいは燃料ガスが十分に電解質膜等に供給されず、電気化学反応が低下し、燃料電池の単セルにおける端子電圧が低下する。したがって、例えば、単セルの端子電圧が予め定めた規定値以下になることを目安に、フラッディング状態か否かを判断することができる。

このようにフラッディングが生じると、燃料電池の電気化学反応が十分に行われなくなるので、フラッディング状態になることの防止またはフラッディング状態の除去のために、燃料電池の湿度等の管理が行われる。

例えば、特許文献１には、燃料電池の起動開始前の経過履歴に応じて、湿分調整手段によってガスを燃料電池に供給し、燃料電池内部の湿分を調整することが開示されている。起動開始前の経過履歴には、燃料電池の運転中、運転終了時、次の運転再開までの期間の濡れ状態等である。燃料電池の濡れ状態の判定は、燃料電池スタックの寸法変化、重量変化、湿度センサ、セル電圧の統計処理、大気温度等から行われる。湿分調整は、ガス流量、燃焼排気ガスによる熱交換器、冷却水の熱等によって行われる。

特開２００５−２７６７６３号公報

特許文献１によれば、燃料電池がフラッディング状態で運転停止したときに、次回始動時のガス供給によって、あるいは熱交換器、冷却水の熱等による加熱によって、燃料電池の湿分調整を行うことができる。しかし、ガス供給の方法では水分を吹き飛ばすことは可能であるが、燃料電池の温度を上昇させることができない。冷却水の熱を利用する方法では、冷却水の温度が低いときに燃料電池の温度を上昇させることが不十分となる。

なお、特許文献１においては、ガス供給のためのエアコンプレッサ等の駆動、熱交換器における加熱等のために電力を消費するが、その電力は燃料電池とは別の２次電池等から消費することになる。したがって、これらの処理のために２次電池の充電状態が十分ではなくなり、例えば、車両の次回走行の際に駆動モータを作動させるための電力が不足することが生じ得る。

上記のように、従来技術においては、フラッディング状態の解消のために、燃料電池の発電を伴わないガス供給を行い、その燃料電池の発電を伴わないガス供給を行うために、２次電池電力により、ブロワ、ファン、コンプレッサ等のガス搬送源を駆動する。したがって、ブロワ、ファン、コンプレッサ等のガス搬送源の駆動のために蓄電装置である２次電池の充電状態の低下が生じて、例えば車両の次回始動のときに支障が出る場合がある。

本発明の目的は、燃料電池の温度を上昇させてフラッディング状態の抑制あるいは解消を可能とする燃料電池システム及び燃料電池を搭載したハイブリッド車両システムを提供することである。また、他の目的は、フラッディングを抑制しつつ、始動直後から燃料電池の発電が行うことを可能とする燃料電池システム及び燃料電池を搭載したハイブリッド車両システムを提供することである。また、他の目的は、このようにして発電した燃料電池の電力で車両を駆動することを可能とするハイブリッド車両システムを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、制御部は、燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する推定手段と、推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に低効率発電制御を行う始動時発電制御手段と、を含むことを特徴とする。ここで低効率発電制御とは、燃料電池の発電効率を犠牲にして、燃料電池自体の発熱量を大きくし、燃料電池自体の温度上昇を迅速に行うことができる燃料電池運転制御のことである。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の運転停止が所定温度に達する前に停止した昇温途上停止か否かを判断する判断手段を有しており、推定手段は、燃料電池の始動前の経過履歴として、判断手段の判断結果に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、推定手段は、燃料電池の始動前の経過履歴として、燃料電池が前回に運転を停止した時の状態と、燃料電池が始動する前における運転停止中の状態の少なくとも１つに基づいて、フラッディング状態であるか否かを推定することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の始動前の経過履歴として、前回に運転を停止したときの燃料電池の温度と、燃料電池が前回に運転を停止してから始動時までの経過時間とに基づいて、フラッディング状態であるか否かを推定することが好ましい。

また、本発明に係るハイブリッド車両システムは、蓄電装置と電圧変換器と駆動モータと燃料電池と燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、駆動モータは蓄電装置と燃料電池との間に設けられて蓄電装置と燃料電池の少なくとも一方によって駆動モータが駆動され、さらに電圧変換器が蓄電装置と駆動モータとの間に接続されて配置されるハイブリッド車両システムであって、制御部は、燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する推定手段と、推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に、駆動モータを駆動できる電圧以上の電圧で、低効率発電制御を行う始動時発電制御手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド車両システムは、燃料電池と、燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、制御部は、燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する手段と、推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に駆動モータを駆動できる電圧以上の電圧で低効率発電制御を行う始動時発電制御手段と、を含み、始動時に低効率発電制御によって発電された電力を用いて車両が駆動されることを特徴とする。

上記構成の少なくとも１つによれば、燃料電池システムは、燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する推定手段を有し、始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に低効率発電制御を行う。したがって、燃料電池の温度を上昇させてフラッディング状態の解消が可能となる。また、燃料電池の次回発電直後から発電できる。

また、上記構成の少なくとも１つによれば、燃料電池システムは、燃料電池の運転停止が所定温度に達する前に停止した昇温途上停止か否かを判断する判断手段を有し、推定手段は、燃料電池の始動前の経過履歴として、判断手段の判断結果に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する。昇温途上停止の場合には、燃料電池がフラッディング状態になる可能性がある。上記構成によれば、燃料電池の温度を上昇させてフラッディング状態の防止あるいは解消が可能となる。また、燃料電池の次回発電直後から発電できる。

また、上記構成の少なくとも１つによれば、ハイブリッド車両システムは、燃料電池を搭載し、燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する推定手段を有し、推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に、駆動モータを駆動できる電圧以上の電圧で、低効率発電制御を行う。このことで、例えば、蓄電装置の充電状態が低下していても、始動時に燃料電池の低効率発電制御で発電された電力を用いて駆動モータを駆動できる。また、電圧変換器を介した蓄電装置の電力供給で駆動モータを駆動することに比較し、蓄電装置の電力の使用を抑制でき、エネルギ損失を抑制することができる。

また、上記構成の少なくとも１つによれば、ハイブリッド車両システムは、燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定し、始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に駆動モータを駆動できる電圧以上の電圧で低効率発電制御を行い、これによって発電された電力を用いて車両が駆動される。したがって、フラッディングを抑制しつつ、始動直後から発電し、車両を駆動できる。

以下では、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、燃料電池システムの構成として、燃料電池スタックと２次電池パックとの間に電力のやり取りを行うために電圧変換を行うものとして電圧変換器を設けるものとするが、電圧変換器を設ける代わりに、電力分配機能を有する要素を燃料電池スタックと２次電池パックの間に設け、その電力分配機能を有する電力分配器から負荷に電力を供給する構成としてもよい。かかる電力分配器としては、燃料電池スタックの発電状態と２次電池パックの充電状態に基づいて、負荷に必要な電力を燃料電池スタック側から供給するか、２次電池パック側から供給するか、あるいは一方のみでは不足する電力を他方側からの電力で補うか等の電力供給元切換機能を有する電力回路等を用いることができる。

また、２次電池パックとしては、リチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池を用いるものとして説明するが、これ以外の構成であっても充電及び放電可能な蓄電装置であればよい。例えば、キャパシタを蓄電装置として用いることができる。なお、以下で説明する電圧等の値は説明のための例示であって、用途に応じ適当に変更することが可能である。

なお、以下では、ハイブリッド車両の電源システムとして、２次電池パック、平滑コンデンサ、電圧変換器、燃料電池スタック、インバータ回路を有する構成として説明するが、これら以外に低電圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ、低電圧バッテリ、システムメインリレー等を含むものとしてもよい。

図１は、ハイブリッド車両システム１０の構成図である。ハイブリッド車両システム１０は、燃料電池を搭載して走行可能なハイブリッド車両における電源システムである。ハイブリッド車両システム１０は、２次電池１２と、２次電池側平滑コンデンサ１４と、電圧変換器１６と、燃料電池側平滑コンデンサ１８と、燃料電池システム３０と、インバータ回路２０を含んで構成される。インバータ回路２０には、車両走行用のモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２２が接続される。

２次電池１２は、リチウムイオン単電池を複数組み合わせ、またはニッケル水素単電池を複数組み合わせて、２００Ｖから４００Ｖ程度、例えば、約２８８Ｖの高電圧バッテリとした２次電池パックである。

２次電池側平滑コンデンサ１４は、２次電池１２の側の正極母線、負極母線の間の電圧等の変動を吸収し、直流電力として脈動を抑制する機能を有する大容量コンデンサである。

電圧変換器１６は、２次電池１２側の電力と、燃料電池システム３０側の高電圧電力との間で電圧変換を行って、電力のやり取りを行う機能を有するもので、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ、リアクトルを用いて昇圧及び降圧が可能な双方向電圧変換器を用いることができる。このように、電力変換器１６は、２次電池１２の電圧を昇圧して、高電圧に変換し、高電圧の正極母線と負極母線とを用いてインバータ回路２０に入力する機能を有する。

燃料電池側平滑コンデンサ１８は、燃料電池側の正極母線、負極母線の間の電圧等の変動を吸収し、直流電力として脈動を抑制する機能を有する大容量コンデンサである。

インバータ回路２０は、高電圧の正極母線と負極母線の間に接続され、直流電力と三相交流電力との間で電力変換を行う機能を有する回路である。図１に示されるように、インバータ回路２０は、電圧変換器１６と燃料電池スタック３０との間において、高電圧の正極母線と負極母線の間に接続される。つまり、モータ・ジェネレータ２２は、インバータ回路２０を介し、電圧変換器１６と燃料電池スタック３０との間において接続されるように配置される。インバータ回路２０は、モータ・ジェネレータ２２を駆動するときには、２次電池１２または燃料電池システム３０からの直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータとして機能するモータ・ジェネレータ２２に供給し、モータ・ジェネレータ２２の制動時には、発電機として機能するモータ・ジェネレータ２２からの回生電力を直流電力に変換し、電圧変換器１６を介し２次電池１２を充電する。

モータ・ジェネレータ２２は、高圧三相交流駆動信号によって電動モータとして機能する電動回転機である。上記のように、車両が制動時には発電機として機能する。モータ・ジェネレータ２２は、車両が低速走行の場合と高速走行の場合とで消費する電力の大きさが異なる。例えば、自転車の走行速度程度の低速走行と、他の車両を追い越すときとでは消費する電力が２倍から３倍異なる。これを交流電圧の大きさで例示すると、モータ・ジェネレータ２２が始動して車両を走行させるための駆動電圧は約２２０Ｖから約２６０Ｖ程度であり、通常走行時では約３３０Ｖから約３８０Ｖである。

燃料電池システム３０は、電気化学反応によって発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの作動に必要なガス源、補機、その他の装置と、これらの要素の作動を全体として制御する制御装置とを含むシステムである。図２に燃料電池システム３０の構成を示す。燃料電池システム３０は、燃料電池システム本体部４０と、制御部７０とを含んで構成される。

燃料電池システム本体部４０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック４２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック４２のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。

燃料電池スタック４２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック４２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出し、負荷２４に供給する機能を有する。負荷２４は、図１の例では、インバータ回路２０、モータ・ジェネレータ２２等である。なお、発電電力の電圧は、電圧検出部６４によって検出され、検出された発電電圧のデータは、制御部７０に伝送される。

アノード側の水素ガス源４４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源４４に接続されるレギュレータ４６は、制御部７０の制御の下で、水素ガス源４４からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ４６の出力口は燃料電池スタック４２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック４２に供給される。

燃料電池スタック４２のアノード側出口に設けられる排気バルブ５０は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、希釈器５８に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、アノード側出口とアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器４８は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

カソード側の酸化ガス源５２は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源５２である大気はフィルタを通してからカソード側に供給される。フィルタの後に設けられる エアコンプレッサ（ＡＣＰ）５４は、図示されていないモータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ５４は、制御部７０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。

加湿器５６は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック４２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５６により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック４２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック４２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５６に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５６は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。

ここで、上記の酸化ガス源５２と、燃料電池スタック４２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック４２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。酸化ガスの経路である酸化ガス経路５５は、酸化ガス源５２から加湿器５６を経由して入口側流路より燃料電池スタック４２の内部に入り、出口側流路から加湿器５６を経由して外気へと延びる。

希釈器５８は、アノード側の排気バルブ５０から排出されるアノード側排気と、カソード側から排気されるカソード側排気とを混合し、適当な水素濃度に希釈して外部に排出するためのバッファ容器である。

燃料電池スタック４２には、循環冷却水路６０が設けられ、例えば、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）等の適当な冷媒を循環させ、これによって燃料電池スタック４２の温度を適当な範囲にすることができる。循環冷却水路６０には冷却水温度検出部６２が設けられ、冷却水の温度を検出し、そのデータを制御部７０に伝送する。

制御部７０は、燃料電池システム本体部４０の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。例えば、制御部７０は、要求発電量と、電圧検出部６４等から伝送される発電電力のデータとに基づいて、ＡＣＰ５４の回転数制御を行い、また、レギュレータ４６の開度制御を行う機能を有する。

特にここでは、イグニッションスイッチのオン・オフ（ＩＧ ＯＮ／ＯＦＦ）６６に関連して、燃料電池システム３０の始動と停止の際のフラッディング防止または除去制御を行う機能を有する。具体的には、燃料電池システム３０の運転停止が所定温度に達する前に停止した昇温途上停止か否かを判断する昇温途上停止判断モジュール７２と、昇温途上停止であると判断された場合、燃料電池システム３０の次回始動時に低効率発電制御を行う始動時発電制御モジュール７６とを含んで構成される。

また、昇温途上停止判断モジュール７２に代えて、燃料電池システム３０の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定するフラッディング推定モジュール７４を含む構成とすることもできる。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池システム制御プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。

制御部７０と交信可能に接続される記憶装置８０は、燃料電池システム制御プログラム等を記憶し、また必要なデータを記憶する機能を有する。特にここでは、燃料電池システム３０が停止するときに判断された昇温途上停止か否かの情報を、フラグ８２のデータとして少なくとも次回の燃料電池システム３０の始動時まで記憶する機能を有する。フラグ８２のデータは、燃料電池システム３０が停止している期間中も保存されるので、フラグ８２の記憶には、不揮発性書換可能メモリが用いられる。あるいは適当なバックアップ電源によって動作するメモリを用いるものとしてもよい。

上記構成のハイブリッド車両システム１０、燃料電池システム３０の動作、特に制御部７０の各機能について、図３のフローチャートを用いて詳細に説明する。図３のフローチャートは、燃料電池システム３０の始動と停止の際のフラッディング防止または除去制御に関する手順を示すもので、各手順は、燃料電池システム制御プログラムの各処理手順に対応する。なお、以下では、図１、図２における符号を用いて説明する。

図３では、燃料電池システム３０が運転中の状態から運転を停止し、再び始動を行う際の手順が示されている。ここで、燃料電池システム３０の運転停止と始動は、図２で説明した（ＩＧ ＯＮ／ＯＦＦ）６６で指示されるものとする。すなわちイグニッションスイッチがオンされると燃料電池システム３０が始動し、イグニッションスイッチがオフされると燃料電池システム３０が停止する。勿論、イグニッションスイッチ以外の操作子によって燃料電池システム３０のオン・オフの指示が行なわれるものとしてもよい。

Ｓ１０からＳ１６の手順は、燃料電池スタック４２の停止処理の手順であり、これらの処理は、制御部７０の昇温途上停止判断モジュール７２の機能によって実行される。

燃料電池システム３０においては、（ＩＧ ＯＮ／ＯＦＦ）の状態が適当なサンプリング間隔等の下で常時監視されている。すなわち、燃料電池システム３０が運転中は、ＩＧ ＯＦＦか否かが常時判断され（Ｓ１０）、ＩＧ ＯＦＦであると判断されると次に燃料電池温度が所定の閾値温度θ₀未満か否かが判断される（Ｓ１２）。図３においてＦＣとあるのは、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌの略称で、ここでは燃料電池スタック４２を指している。燃料電池スタック４２の温度は、図２の例では、冷却水温度検出部６２によって検出されたデータに基づいて決定される。例えば、冷却水温度と燃料電池スタック４２の適当な部位の温度との相関を予め求めておき、冷却水温度に基づいて燃料電池スタック４２の温度を求めることができる。勿論、冷却水温度検出以外の適当な手段によって燃料電池スタック４２の温度を決定するものとすることができる。例えば、燃料電池スタック４２に直接取り付けられた燃料電池温度計を用い、あるいは燃料電池スタック４２の近傍に設置された外気温度計を用い、これらの検出データに基づいて燃料電池温度が所定の閾値温度θ₀未満か否かを判断するものとしてもよい。

閾値温度θ₀は、燃料電池スタック４２の動作上から見て適当な温度に暖機されているか否か、の観点から設定される。すなわち、閾値温度θ₀は、燃料電池スタック４２の暖機閾値温度である。例えば、θ₀を、約６５℃とすることができる。十分に暖機されたこの温度以上においては、燃料電池スタック４２が適切に電気化学反応を行うことができ、したがって、燃料電池スタック４２において、フラッディングは生じていない。この閾値温度θ₀未満の状態では、フラッディング状態となる可能性がある。その意味で、Ｓ１２におけるＦＣ温度がθ₀未満か否かの判断は、フラッディングの観点から、燃料電池スタック４２が、まだ昇温途上であるときにＩＧ ＯＦＦされたのか、もう既に十分暖機された後にＩＧ ＯＦＦされたのか、の判断をしていることにもなる。

ＦＣ温度がθ₀未満であると判断されると、ＩＧ ＯＦＦが昇温途上で行われたものとして、昇温途上停止フラグが「１」に立てられる。なお、昇温途上停止フラグは、通常は「０」に設定されている。また、昇温途上停止フラグのデータは、上記のように、記憶装置８０のフラグ８２として、燃料電池システム３０の運転停止中も保存されている。

なお、Ｓ１２において、ＦＣ温度によって昇温途上停止の判断を行い、昇温途上停止の場合には、昇温途上停止フラグを「１」にするものとしたが、ＦＣ温度以外の判断に基づくこともできる。例えば、ＦＣの運転時間が所定時間未満のときに昇温途上停止と判断して、昇温途上停止フラグを「１」にするものとしてもよい。また、ＦＣの運転時間に代えて、車両の連続走行距離が所定距離未満の場合に昇温途上停止と判断して、昇温途上停止フラグを「１」にするものとしてもよい。

Ｓ１４の処理の後、Ｓ１６に進んで、通常の終了処理が実行される。なお、Ｓ１２における判断が否定の場合には、Ｓ１４の処理を行わず、すなわち昇温途上停止フラグを「１」とせずに「０」のままでＳ１６に進み、通常の終了処理が実行される。通常の終了処理とは、例えば、ＡＣＰ５４等に指示し、酸化ガスの供給を止め、またレギュレータ４６等に指示し、燃料ガスの供給を止めることなどである。

このようにして、燃料電池システム３０の停止処理が実行される。Ｓ１８からＳ２６の手順は、燃料電池スタック４２の再始動の手順を示すもので、これらの手順は、制御部７０の始動時発電制御モジュール７６の機能によって実行される。

上記のように、燃料電池システム３０は、（ＩＧ ＯＮ／ＯＦＦ）の状態を常時監視しているので、停止処理の後は、ＩＧ ＯＮか否かが常時判断され（Ｓ１８）、ＩＧ ＯＮであると判断されると、次に、記憶装置８０のフラグ８２が検索され、昇温途上停止フラグの状態が「１」か否かが判断される（Ｓ２０）。

昇温途上停止フラグの状態が「１」と判断されると、低効率発電制御が実行される（Ｓ２２）。ここで、低効率発電について説明する。図４は、燃料電池の出力電力Ｐ_fcと燃料電池電流（ＦＣ電流）Ｉ_fcの関係と、燃料電池電流（ＦＣ電流Ｉ_fcと燃料電池電圧（ＦＣ電圧）Ｖ_fcとの関係とを、共通の横軸としてＦＣ電流Ｉ_fcにとって示したものである。ここで燃料電池における運転動作の際の動作点は、ＦＣ電流とＦＣ電圧の関係であるＩＶライン上で移動することになる。

図４に示されるように、一般的に、燃料電池の出力電力特性は、ＦＣ電流に対し、２次曲線に似た特性を示し、あるＦＣ電流で最大の出力電力が得られる。これをＩＶラインのＦＣ電圧について述べると、最大出力電量Ｐ_fcmaxが得られる最大出力運転動作点（Ｉ_fcmax，Ｖ_fcmax）を中心に、図４の左側に示すＩＶライン上の運転動作点ではＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴って出力電力Ｐ_fcは増大するが、図４の右側に示すＩＶライン上の運転動作点ではＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴って出力電力Ｐ_fcは減少する。

また、一般的に、燃料電池における電力損失は、ＦＣ電圧Ｖ_fcが低下するにつれ増大することが知られている。このため、燃料電池を運転して同一の出力電力を出力する場合であっても、最大出力運転動作点の右側に示すＩＶライン上の運転動作点、例えば、運転動作点（Ｉ_fc2，Ｖ_fc2）で運転する方が、最大出力運転動作点の左側に示すＩＶライン上の運転動作点、例えば、運転動作点（Ｉ_fc1，Ｖ_fc1）で運転するよりも、電力損失が大きくなる。そこで、同じ出力電力であって電力損失の少ない方、つまりＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴って出力電力Ｐ_fcが増大するＩＶライン上の運転動作点を通常運転動作点とし、同じ出力電力であって電力損失の大きい方、つまりＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴って出力電力Ｐ_fcが減少するＩＶライン上の運転動作点を低効率運転動作点とすることができる。

すなわち、通常運転動作点（Ｉ_fc，Ｖ_fc）は、次式で表される。
Ｉ_fc≦Ｉ_fcmax
Ｖ_fcmax≦Ｖ_fc
同様に、低効率運転動作点（Ｉ_fc，Ｖ_fc）は、次式で表される。
Ｉ_fcmax＜Ｉ_fc
Ｖ_fc＜Ｖ_fcmax
低効率発電は、この低効率運転動作点で運転することである。

ここで低効率発電制御は、発電効率を犠牲にして燃料電池スタック４２の温度を上昇させる制御であればどのようなものでもよいが、例えば、酸化ガス流量を、最適流量と異ならせるものとしてＡＣＰ５４に指示を与えることができる。この他に、例えば、酸化ガスの圧力を通常運転の条件と異なるものとして、図２には図示されていない制御弁等に指示を与えるものとできる。酸化ガスの条件制御のほかに、燃料ガスの条件制御を行うものとしてもよい。このように、低効率発電制御は、通常の燃料電池発電制御の条件を変更するものであるので、燃料電池スタック４２の温度上昇を行うことができる。

低効率発電制御は、例えば、冷却水温度検出部６２のデータに基づき、燃料電池スタック４２の温度が所定の温度に到達するまで継続されることが好ましい。この場合の所定の温度は、閾値温度θ₀と同じとすることもでき、θ₀に適当な温度差を増減した温度としてもよい。

また、燃料電池スタック４２においてフラッディング状態が解消されたか否かを判断して、フラッディング状態が解消されるまで低効率発電制御を継続するものとすることもできる。フラッディング状態の解消判断には、例えば、燃料電池スタック４２を構成する単電池の膜抵抗の測定に基づいて行うことができる。すなわち、膜抵抗の値が所定の範囲内に納まることで、フラッディング状態が解消したものと判断することができる。また、低効率発電制御を、所定の時間継続することで、フラッディング状態が解消したものと判断してもよい。この場合の所定の時間については、予め、対象となる燃料電池スタック４２の構成、低効率発電制御の内容に基づいて、いくつかの初期条件を想定し、フラッディング状態の解消に必要な時間を求めておき、その結果に従って設定することが好ましい。

また、低効率発電制御として、発電電圧を、モータ・ジェネレータ２２を駆動できる最低限の閾値電圧以上となるように、条件を設定することが好ましい。モータ・ジェネレータ２２を駆動できる閾値電圧とは、モータ・ジェネレータ２２によって車両が低速走行できる程度の電圧であって、通常走行に要する電圧よりも低い値である。閾値電圧は、用途に応じて設定できるが、たとえば、平地において、自転車の走行速度程度の低速走行が可能であるが、他の車両を追い越すことができない程度の走行速度に対応する電圧とすることができる。上記の例で、モータ・ジェネレータ２２が始動して車両を走行させるための駆動電圧として、約２２０Ｖから約２６０Ｖ程度である場合には、閾値電圧を約２２０Ｖから約２６０Ｖの間の値として設定することができる。

これによって、始動時に、燃料電池スタック４２の低効率発電によって発電された電力によってモータ・ジェネレータ２２を駆動できる。たとえば、２次電池１２の充電状態を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が低下しているときは、この燃料電池スタック４２によって発電された電力によって不足分を補って、モータ・ジェネレータ２２を駆動できる。ＳＯＣが十分であるときでも、２次電池１２の電力を用いずに燃料電池スタック４２による発電電力を用いることで、２次電池１２の電力消耗を抑制することができる。

再び図３に戻り、低効率発電制御が十分に行われて、燃料電池スタック４２の温度が十分に上昇し、あるいはフラッディング状態が十分に解消されたと判断されると、通常運転制御に移行する（Ｓ２６）。通常運転制御とは、要求発電量に応じて酸化ガス及び燃料ガスの供給を行い電圧検出部６４のデータを監視しながら、最適の効率で運転する制御である。なお、Ｓ２０において昇温途上停止フラグが「０」であると判断されるときは、低効率発電制御を実行せず、そのままＳ２６の通常発電制御が行われる。

このようにして、燃料電池スタック４２の停止が昇温途上停止である場合には、暖機が十分でない状態で運転停止が行われ、再始動の際にフラッディング状態にある可能性があるので、フラッディング状態の防止あるいは解消のために低効率発電制御が実行される。

上記では、Ｓ１２においてＦＣ温度が閾値温度θ₀未満であるか否かの判断に従って、昇温度途上停止フラグを「１」に立てるものとした。これに代えて、燃料電池スタック４２の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池スタック４２がフラッディング状態であるか否かを推定し、始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、低効率発電制御を行うものとしてもよい。

具体的には、再始動のときに、燃料電池スタック４２の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池スタック４２がフラッディング状態であるか否かを推定する。したがって、処理手順としては、ＩＧ ＯＦＦか否かを判断して、ＩＧ ＯＦＦのときは通常通り終了処理を行い、次にＩＧ ＯＮか否かを判断して、ＩＧ ＯＮのときに、燃料電池スタック４２の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池スタック４２がフラッディング状態であるか否かを推定する。そして、推定結果がフラッディング状態であるとするときは、低効率発電制御を実行する。低効率発電制御の継続条件は、図３のＳ２２に関連して説明した内容と同じとすることができ、また、低効率発電制御の後に通常運転制御に移行することもＳ２４に関連して説明したものと同様である。

再始動時の燃料電池スタック４２がフラッディング状態であるか否かを推定するために用いられる燃料電池スタック４２の始動前の経過履歴としては、燃料電池スタック４２が前回に運転を停止した時の状態と、燃料電池が始動する前における運転停止中の状態の少なくとも１つを用いることができる。前者における運転停止した時の状態には、燃料電池スタック４２の温度、酸化ガスの湿度、単電池の膜抵抗等を含むことができる。後者における始動する前の運転停止中の状態には、運転停止時間、外気温度等を含むことができる。

図５は、運転停止した時の燃料電池スタックの初期温度θ₁と、運転停止時間Ｔとに基づいて、再始動時の燃料電池スタックがフラッディング状態であるか否かを推定する様子を説明する図である。以下では、図１、図２における符号を用いて説明する。図５は、横軸に燃料電池スタック４２が停止した時から起算した経過時間をとり、縦軸に燃料電池スタック４２の温度θをとって、時間経過に伴う燃料電池スタック４２の温度θの温度変化特性９２を示す図である。燃料電池スタック４２の温度θは、上記のように、冷却水温度検出部６２のデータに基づいて定めることができる。温度変化特性９２は、外気温度等の影響を受けるので、その影響の様子を破線で示してある。図５に示されるように、温度変化特性９２の特性は、燃料電池スタック４２の構成、初期温度θ₁、外気温度等を与えることで、予め求めておくことができる。

図５には、図３のＳ１２で説明した閾値温度θ₀が示されている。温度変化特性９２は初期温度θ₁が時間経過と共に低下するが、閾値温度θ₀となる時間はｔ₀として示されている。燃料電池スタック４２の運転停止からの経過時間がｔ₀を超えて、その後に再始動されると、燃料電池スタック４２の温度が閾値温度θ₀未満となるので、再始動の際に、フラッディング状態になる可能性がある。図５において斜線で示した領域は、再始動時にフラッディング状態にあると推定される領域９４である。このように、時間ｔ₀を超える時間で再始動が行われると、再始動時にフラッディング状態にあると推定される。例えば、図５において、運転停止時間Ｔとして示される時間において再始動が行われるとすれば、運転停止時間Ｔは領域９４に含まれるので、再始動時にフラッディング状態にあると推定される。

このように、燃料電池スタック４２が前回に運転を停止した時の状態と、燃料電池が始動する前における運転停止中の状態の少なくとも１つを用いることで、再始動時にフラッディング状態にあることの推定を行うことができる。

再始動時にフラッディング状態か否かを推定するために、燃料電池スタック４２が前回に運転を停止した時の状態と、燃料電池が始動する前における運転停止中の状態の少なくとも１つを用いる例としては、このほかに次のことを用いることができる。すなわち、運転停止時間が長期に及ぶ場合、あるいは、外気温度が高い場合には、逆に電解質膜等が乾燥してしまうことが生じ、昇温途上停止した次回始動時においてもフラッディング状態でないことがある。したがって、長期の運転停止時間、高い外気温度等を、再始動時にフラッディング状態か否かを推定するために、燃料電池スタック４２が前回に運転を停止した時の状態と、燃料電池が始動する前における運転停止中の状態の少なくとも１つを用いる例とすることができる。

本発明に係る実施の形態において、燃料電池を搭載したハイブリッド車両システムの構成図である。 本発明に係る実施の形態において、燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、燃料電池システムの始動と停止の際のフラッディング防止または除去制御に関する手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において、低効率発電を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、再始動時の燃料電池スタックがフラッディング状態であるか否かを推定する様子を説明する図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド車両システム、１２ ２次電池、１４ ２次電池側平滑コンデンサ、１６ 電圧変換器、１８ 燃料電池側平滑コンデンサ、２０ インバータ回路、２２ モータ・ジェネレータ、２４ 負荷、３０ 燃料電池システム、４０ 燃料電池システム本体部、４２ 燃料電池スタック、４４ 水素ガス源、４６ レギュレータ、４８ 循環昇圧器、５０ 排気バルブ、５２ 酸化ガス源、５４ ＡＣＰ、５５ 酸化ガス経路、５６ 加湿器、５８ 希釈器、６０ 循環冷却水路、６２ 冷却水温度検出部、６４ 電圧検出部、６６ ＩＧ ＯＮ／ＯＦＦ、７０ 制御部、７２ 昇温途上停止判断モジュール、７４ フラッディング推定モジュール、７６ 始動時発電制御モジュール、８０ 記憶装置、８２ フラグ、９２ 温度変化特性、９４ 領域。

Claims (6)

1. 燃料電池と、燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、
   制御部は、
   燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する推定手段と、
   推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に低効率発電制御を行う始動時発電制御手段と、
   を含む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、
   制御部は、
   燃料電池の運転停止が所定温度に達する前に停止した昇温途上停止か否かを判断する判断手段を有しており、
   推定手段は、
   燃料電池の始動前の経過履歴として、判断手段の判断結果に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   推定手段は、燃料電池の始動前の経過履歴として、
   燃料電池が前回に運転を停止した時の状態と、燃料電池が始動する前における運転停止中の状態の少なくとも１つに基づいて、フラッディング状態であるか否かを推定することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の始動前の経過履歴として、前回に運転を停止したときの燃料電池の温度と、燃料電池が前回に運転を停止してから始動時までの経過時間とに基づいて、フラッディング状態であるか否かを推定することを特徴とする燃料電池システム。
5. 蓄電装置と電圧変換器と駆動モータと燃料電池と燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、駆動モータは蓄電装置と燃料電池との間に設けられて蓄電装置と燃料電池の少なくとも一方によって駆動モータが駆動され、さらに電圧変換器が蓄電装置と駆動モータとの間に接続されて配置されるハイブリッド車両システムであって、
   制御部は、
   燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する推定手段と、
   推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に、駆動モータを駆動できる電圧以上の電圧で、低効率発電制御を行う始動時発電制御手段と、
   を含むことを特徴とするハイブリッド車両システム。
6. 燃料電池と、燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、
   制御部は、
   燃料電池の始動前の経過履歴に基づいて、始動時の燃料電池がフラッディング状態であるか否かを推定する手段と、
   推定手段によって始動時にフラッディング状態であると推定されたときに、燃料電池の次回始動時に駆動モータを駆動できる電圧以上の電圧で低効率発電制御を行う始動時発電制御手段と、
   を含み、始動時に低効率発電制御によって発電された電力を用いて車両が駆動されることを特徴とするハイブリッド車両システム。

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