(57)【要約】      （修正有）【課題】反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池２０と、該燃料電池２０への反応ガス供給および燃料電池２０から負荷５１，５２，Ｍ３,Ｍ４への電力供給を制御する制御部５０と、燃料電池２０のセル電圧を測定するセル電圧モニタ１１とを含み、起動時に燃料電池２０のセル電圧が低下していること又は低下し得る状況であることが検知された場合には、燃料電池２０から負荷５１，…，Ｍ４への電力供給を禁止した状態で燃料電池２０に反応ガスを供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池への反応ガス供給を制御するガス供給制御部と、前記燃料電池から負荷への電力供給を制御する電力供給制御部と、前記燃料電池の発電電圧が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、
起動時に前記検知がなされた場合には、前記燃料電池から負荷への電力供給を禁止した状態で該燃料電池に反応ガスを供給する、燃料電池システム。
【請求項２】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの充電および負荷への放電が可能な蓄電装置と、該蓄電装置における充電量が所定量となるように前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、前記燃料電池の発電電圧が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、
起動時に前記検知がなされた場合には、前記蓄電装置の充電量が前記所定量に達していなくとも、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を禁止する、燃料電池システム。
【請求項３】
前回の駆動時に前記検知がなされたまま停止した場合に、前記発電電圧が低下し得る状況にあることが検知される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムの制御に関して、例えば特許文献１には、起動後の暖機運転中に燃料電池の発電電圧が低下した場合には、燃料電池の温度又は電圧を回復させるように燃料ガス供給装置を制御する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１６５０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この特許文献１に開示の技術は、起動時に燃料電池の発電電圧が低いと判断した場合に、燃料電池へのアノードガス供給量を増大するものであるから、発電電圧の低下を抑制してシステム起動時の安定性を向上させることはできても、アノードガス消費量の増大を招き、燃費が悪化する虞がある。
【０００４】
そこで、本発明は、反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させることのできる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池への反応ガス供給を制御するガス供給制御部と、前記燃料電池から負荷への電力供給を制御する電力供給制御部と、前記燃料電池の発電電圧（総電圧、セル電圧）が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、起動時に前記検知がなされた場合には、前記燃料電池から負荷への電力供給を禁止した状態で該燃料電池に反応ガスを供給する。
【０００６】
このような構成によれば、起動（システムダウン直後の再起動を含む）時のように、燃料電池の発電状態が未だ安定していない時に負荷要求（出力要求、電力供給要求）があったとしても、燃料電池から負荷への電力供給が行われることはないので、燃料電池への反応ガス供給量を増やさなくても、発電電圧の低下を抑制することが可能となる。
【０００７】
この燃料電池システムが例えば燃料電池車両に適用される場合、燃料電池からの電力供給が禁止される負荷には、駆動輪を駆動するトラクションモータ、補機、アクセサリ機器等がある。また、燃料電池からの電力を充電し該充電した電力を他の機器に供給する二次電池やキャパシタ等の蓄電装置も、その残容量（充電量）が所定量以下であるために充電の必要（充電要求）がある場合は、燃料電池に対する負荷となる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの充電および負荷への放電が可能な蓄電装置と、該蓄電装置における充電量が所定量となるように前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、前記燃料電池の発電電圧（総電圧、セル電圧）が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、起動時に前記検知がなされた場合には、前記蓄電装置の充電量が前記所定量に達していなくとも、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を禁止する。
【０００９】
このような構成によれば、起動（システムダウン直後の再起動を含む）時のように、燃料電池の発電状態が未だ安定していない時に、蓄電装置の残容量（充電量）が少なく該蓄電装置への充電が必要な状況が生じていても、燃料電池から蓄電装置への充電（電力供給）が行われることはないので、燃料電池への反応ガス供給量を増やさなくても、発電電圧の低下を抑制することが可能となる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいては、前回の駆動時に前記検知がなされたまま停止した場合に、前記発電電圧が低下し得る状況にあることが検知されるようにしてもよい。
【００１１】
このような構成によれば、燃料電池の発電状態が未だ安定していないにもかかわらず、発電電力を負荷（蓄電装置を含む）に供給してしまうことによって起動（再起動を含む）の度に起こり得るシステムダウンを未然に防止することが可能となる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、発電電圧が低下し得る状況にあることの検知、つまり、発電電圧の低下の予測の判断には、発電電圧（総電圧、セル電圧）の時系列的な変化（例えば、低下や振動）を用いてもよい。また、発電電圧は、燃料電池内の水分量と相関があるため、燃料電池内の水分量に基づいて発電電圧の低下を予測しても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、起動時における燃料電池の発電電圧が低下しているとき、又は低下し得る状況にあるときは、たとえ負荷要求（充電要求を含む）があっても、負荷（蓄電装置を含む）への電力供給が禁止されるので、燃料電池への反応ガス供給量を増やさなくても、発電電圧の低下を抑制することが可能になる。よって、反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用が可能である。
【００１５】
同図に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての例えば空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０のカソード入口側に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するエアコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアコンプレッサＡ３は、制御部（検知部）５０に制御されるコンプレッサモータＭによって駆動される。
【００１６】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は燃料電池２０のカソード側出口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０のカソード出口側の圧力を調整することにより、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
【００１７】
圧力センサＰ４及びＰ１の検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０は、エアコンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１８】
燃料ガス（反応ガス）としての例えば水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０のアノード入口側に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１９】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する水素供給バルブＨ１００、その下流のガス圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、その下流のガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０のアノード側入口と燃料供給路７４間を開閉するＦＣ入口弁Ｈ２１、及び燃料電池２０のアノード入口側ガス圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５、Ｐ６及びＰ９の検出信号は制御部５０に供給される。
【００２０】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断するＦＣ出口弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０及び逆止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２１】
ＦＣ入口弁Ｈ２１及びＦＣ出口弁Ｈ２２は燃料電池のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０に制御される水素ポンプモータＭによって駆動される。水素オフガスは燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆止弁Ｈ５２は燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。各種の弁Ｈ１００、Ｈ２１、Ｈ２２は制御部５０からの信号で駆動される。
【００２２】
水素循環路７５は、パージ弁Ｈ５１を介してパージ流路７６によって排気路７２に接続される。排出制御弁Ｈ５１は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出（パージ）する。
【００２３】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。セルは、ＭＥＡ（膜−電極接合体）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとを備えて構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（アノードおよびカソード）とで構成されている。
【００２４】
燃料電池２０には、セル毎又は所定数のセル群毎にセル電圧モニタ（検知部）１１からの測定端子が接続されていて、各セル又はセル群毎にセル電圧（燃料電池の発電電圧）を測定できるようになっている。セル電圧モニタ１１の検出信号は、制御部５０に供給される。
【００２５】
燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、二次電池（蓄電装置）５４に充電される。二次電池５４は車両制動時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。
【００２６】
燃料電池２０から二次電池５４への充電は、二次電池５４の残容量（充電量）ＳＯＣが所定量以上となるように、後述する制御部５０によって制御されるが、起動時に燃料電池２０のセル電圧が所定の閾値以下に低下していることが予測あるいは検知された場合には、たとえ二次電池５４の残容量ＳＯＣが所定量に達していなくとも、燃料電池２０から二次電池５４への電力供給、つまり充電は禁止される。
【００２７】
トラクションインバータ（負荷）５１及び補機インバータ（負荷）５２は、燃料電池２０と二次電池５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（負荷）Ｍ３と補機モータ（負荷）Ｍ４のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータＭ４は、後述の水素ポンプＨ５０を駆動する水素ポンプモータＭやエアコンプレッサＡ３を駆動するコンプレッサモータＭ等を総称している。
【００２８】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成され、図外のアクセルセンサが検出したアクセル開度、図外の車速センサが検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、これに二次電池５４の残容量ＳＯＣを勘案した燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように、燃料電池システムを制御する。
【００２９】
具体的には、制御部５０はエアコンプレッサＡ３を駆動するコンプレッサモータＭの回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプＨ５０を駆動する水素ポンプモータＭの回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。更に、制御部５０はＤＣ／ＤＣコンバータ５３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。
【００３０】
ただし、制御部５０は、起動時に測定された燃料電池２０のセル電圧が所定の閾値以下に低下していることが予測あるいは検知（発電電圧が低下していること又は低下し得る状況にあることを検知）された場合には、燃料電池２０を例えばインバータ５１，５２、モータＭ３，Ｍ４、車両のアクセサリ機器、充電要求のある二次電池５４等の負荷に接続することなく、言い換えれば、これら負荷への電力供給を禁止した状態で、燃料電池２０に反応ガスを供給する、
【００３１】
起動時とは、例えば駐停車後の起動時のように、システム停止後、所定時間経過した後の起動時を含む他、起動中あるいは駆動中に生じたシステムダウンの直後に実施される再起動時も含まれる。また、人為的な操作に基づく手動的な起動に限らず、制御プラグラムにおいて所定のエベント発生時等に実行される自動的な起動も含まれる。
【００３２】
以上より、本実施形態の制御部５０は、燃料電池２０への反応ガス供給を制御するガス供給制御部として、また、燃料電池２０から負荷への電力供給を制御する電力供給制御部として、さらには、二次電池５４の残容量ＳＯＣが所定量となるように燃料電池２０から二次電池５４への充電を制御する充電制御部としての機能を兼ね備える。さらに、制御部５０はセル電圧モニタ１１と共に検知部を構成する。
【００３３】
図２は、起動時における充電制御の内容を記述したフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンは、制御部５０が実行する主制御プログラムにおいて、所定のイベント発生時、例えばイグニッションＯＮであることが検知された時に呼び出される。以下、燃料電池２０には既に反応ガスが供給されているものとして説明する。
【００３４】
まず、二次電池５４の残容量ＳＯＣ（充電量）が所定の閾値（例えば、５０〜８０％）以上であるか否かの判定を行い（ステップＳ１）、二次電池５４の残容量ＳＯＣが所定の閾値以上である場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、つまり、二次電池５４への充電が必要ない場合は、以後の処理をスキップし、本ルーチンの読み出し元のルーチンに復帰する。
【００３５】
一方、二次電池５４の残容量ＳＯＣが所定の閾値未満である場合（ステップＳ１：ＮＯ）は、通常条件下で二次電池５４への充電を開始する（ステップＳ３）。しかる後、セル電圧モニタ１１にて測定されたセル電圧が所定の閾値以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ５）。この判定に用いられるセル電圧は、例えば、測定したセル電圧の平均値や最低値等である。
【００３６】
セル電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、つまり、そのときの発電状態で二次電池５４への通常充電を継続しても、燃料電池システムがダウン（セル落ちとも呼ばれる）してしまう虞のない場合は、以後の処理をスキップし、本ルーチンの読み出し元のルーチンに復帰する。つまり、二次電池５４への通常充電がそのまま継続される。
【００３７】
一方、セル電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ５：ＮＯ）は、燃料電池システムがダウンしてしまうので（ステップＳ７）、同システムを再起動し（ステップＳ９）、例えば単位時間あたりの充電量に上限を設ける等して、二次電池５４への制限付充電を開始する（ステップＳ１１）。
【００３８】
しかる後、セル電圧モニタ１１にて測定されたセル電圧が所定の閾値以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ１３）。この判定に用いられるセル電圧も、例えば、測定したセル電圧の平均値や最低値等である。
【００３９】
セル電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、つまり、そのときの発電状態で二次電池５４への制限付充電を継続しても、燃料電池システムがダウンしてしまう虞のない場合は、以後の処理をスキップし、本ルーチンの読み出し元のルーチンに復帰する。つまり、二次電池５４への制限付充電がそのまま継続される。
【００４０】
一方、セル電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ１３：ＮＯ）は、燃料電池システムがダウンしてしまうので（ステップＳ１５）、同システムを再起動し（ステップＳ１７）、燃料電池２０から二次電池５４への充電を（停止）禁止する（ステップＳ１９）。このとき、燃料電池２０からみた全ての負荷、例えば、インバータ５１，５２、モータＭ３，Ｍ４、車両のアクセサリ機器等への電力供給も禁止する。
【００４１】
具体的には、燃料電池２０と、二次電池５４を含む全ての負荷との接続を電気的に遮断し、一時的にオープンサーキットの状態を作る。この状態で燃料電池２０に反応ガスが供給されていると、燃料電池２０内には電位差が生じる。しかる後、所定の充電許可（電力供給許可）条件を満足したら（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、二次電池５４への充電を許可（開始）する（ステップＳ２３）。このとき、負荷への電力供給を許可（開始）してもよい。
【００４２】
ステップＳ２１での充電許可条件は、例えば、燃料電池２０の温度が所定温度（例えば、６０℃）以上である場合や、ステップＳ１７の再起動を実施してからの経過時間が所定時間以上である場合等である。燃料電池２０は、反応ガス供給に伴い生ずる化学反応による発熱と、燃料電池２０を冷却する冷媒とエアコンプレッサＡ３や水素ポンプＨ５０等の補機モータＭを冷却するための冷媒とが共用されていることによる補機からの吸熱とにより、徐々に暖機されてセル電圧が安定することに基づく。
【００４３】
なお、二次電池５４への充電中にセル電圧が所定の閾値以下になった場合は、エアストイキ比を高めるべく、エアコンプレッサＡ３を駆動するコンプレッサモータＭの回転数を上昇させる等してエア流量を増加させてもよい。
【００４４】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムは、システムダウン後の再起動を含むシステム起動時に、例えば燃料電池２０の発電状態が未だ安定してない等の理由により、セル電圧が所定の閾値以下である場合は、二次電池５４への充電禁止はもとより、燃料電池２０からみた全ての負荷に接続することなく、反応ガスが燃料電池２０に供給されるように構成されている。
【００４５】
したがって、この燃料電池システムによれば、たとえシステム起動時に二次電池５４の残容量ＳＯＣが低下していて当該二次電池５４への充電を要する状況が生じていても、あるいは、システム起動時の発電状態が不安定なときに燃料電池２０への負荷要求があっても、燃料電池２０への反応ガス供給量を増大させずにセル電圧の低下を抑制することができるので、反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させることが可能である。
＜他の実施形態＞
【００４６】
上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、二次電池５４の代わりにキャパシタを蓄電装置として用いてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態の制御部５０は、起動時にセル電圧が所定の閾値以下に低下していることを検知したときに、燃料電池２０から二次電池５４を含む全ての負荷への電力供給を禁止しているが、前回の駆動時に燃料電池２０のセル電圧が所定の閾値以下に低下したまま停止した場合、つまり、ステップＳ７，１５のシステムダウンが起きた場合、次の再起動時は改めてセル電圧を測定するまでもなくセル電圧が所定の閾値以下に低下しているものと予測して、ステップＳ５，１３のような判定を行わずに、直ちに燃料電池２０からの電力供給を禁止してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図。
【図２】起動時の処理の内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４９】
１１…セル電圧モニタ（検知部）、２０…燃料電池、５０…制御部（ガス供給制御部、電力供給制御部、充電制御部、検知部）、５１…トラクションインバータ（負荷）、５２…補機インバータ（負荷）、５４…二次電池（蓄電装置）、Ｍ…コンプレッサモータ、Ｍ…水素ポンプモータ（負荷）、Ｍ３…トラクションモータ(負荷）、Ｍ４…補機モータ（負荷）
【図１】
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【図２】
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