(57)【要約】【課題】燃料電池の発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけ、発電効率を向上させる。【解決手段】燃料電池の触媒に生じた酸化被膜を除去するリフレッシュ制御部を有する燃料電池システムであって、リフレッシュ制御を行った場合と、リフレッシュ制御を行わない場合における、所定時間経過した際の発熱量を比べ、当該燃料電池の増加発熱量と減少熱量の差分である熱収支が±０となる時間ｔ０を算出する熱量算出部を備えている。リフレッシュ制御部は、燃料電池の温度が最適温度よりも低い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも早く設定し、燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも遅く設定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の触媒に生じた酸化被膜を除去するリフレッシュ制御部を有する燃料電池システムであって、
リフレッシュ制御を行った場合と、リフレッシュ制御を行わない場合における、所定時間経過した際の発熱量を比べ、当該燃料電池の増加発熱量と減少熱量の差分である熱収支が±０となる時間ｔ０を算出する熱量算出部を備え、
前記リフレッシュ制御部は、前記燃料電池の温度が最適温度よりも低い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも早く設定し、前記燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも遅く設定する、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、カソードの触媒に酸化被膜が生じた際に、該酸化被膜を取り除くために電圧を一時的に下げる（以下、「リフレッシュ」という）ことにより、酸化被膜を分解する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、空気の供給を遮断し、水素のみを供給することで、燃料電池の電圧を下げるというもので、これにより触媒表面の酸化物を還元させて除去する。これによれば、燃料電池スタックの性能が回復する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８５９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、リフレッシュ制御を行うことにより発熱し、燃料電池の最適動作温度と実際の温度が乖離し、発電効率が悪くなる場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池の発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけ、発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池の触媒に生じた酸化被膜を除去するリフレッシュ制御部を有する燃料電池システムであって、
リフレッシュ制御を行った場合と、リフレッシュ制御を行わない場合における、所定時間経過した際の発熱量を比べ、当該燃料電池の増加発熱量と減少熱量の差分である熱収支が±０となる時間ｔ０を算出する熱量算出部を備え、
リフレッシュ制御部は、燃料電池の温度が最適温度よりも低い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも早く設定し、燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合には、リフレッシュ制御の開始時間をｔ０よりも遅く設定する。
【０００７】
この燃料電池システムによれば、発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけることができ、発電効率が向上する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の発熱量を考慮してリフレッシュ制御を行うタイミングを決定することにより、燃料電池を最適動作温度に近づけ、発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】リフレッシュ前とリフレッシュ時の発熱量を説明する図である。
【図２】リフレッシュ前とリフレッシュ後の発熱量を説明する図である。
【図３】リフレッシュ前後の熱収支を表す概念図であり、（Ａ）はリフレッシュ実行フラグ、（Ｂ）は発熱量、（Ｃ）は熱収支を示す。
【図４】本願におけるリフレッシュ頻度制御を表す概念図である。
【図５】燃料電池システムにおけるリフレッシュに関する制御フローの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【００１１】
一般的に、燃料電池システムは、特に図示してはいないが、燃料電池、燃料電池の冷却水が流れる水管、水管に設置されたラジエータ、水管のバイパス、水管に設置された三方弁、同じく水管に設置された冷却水ポンプ、コンピューター（制御装置）などを備えるシステムとして構成される。本実施形態の燃料電池システムは、これらの他、熱量算出部、リフレッシュ制御部、温度センサー等を備える。
【００１２】
また、燃料電池システムは例えば車両に搭載されて用いられる。燃料電池システムは、ある要求電力に対する燃料電池の出力を任意に指令できる制御を実施できるシステムを備えている。
【００１３】
熱量算出部は、燃料電池がある電力を発電しようとした場合の発熱量を計算によって推定する。熱量算出部は、例えば、熱量を算出する装置として機能するコンピューター（制御部）によって構成される。なお、燃料電池の電流電圧特性（以下、ＩＶ特性という）は明らかになっている。
【００１４】
リフレッシュ制御部は、コンピューターないしメモリーにあらかじめ格納された制御ソフト（プログラム）に従い、一時的にある電圧まで燃料電池の電圧を下げることで触媒の活性を回復する（本明細書ではこれを「リフレッシュ」という）制御（リフレッシュ制御）を実行する。
【００１５】
温度センサーは、燃料電池の温度を測定するセンサーである。測定された温度に関するデータはコンピューター（制御部）に送信される。
【００１６】
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の電圧を一時的に下げることで触媒の活性の回復を図る制御を実行する。この際、燃料電池システムは、ある時点での燃料電池の最適動作温度を推定し、あるいは既知の状態として計算に利用し（開発時点で既に燃料電池の最適動作温度をある温度に決めている場合は、推定する必要なくその温度に近づけるためのリフレッシュ頻度計算に利用できる）、その時点における燃料電池の最適な動作温度を推定できる燃料電池車両において、リフレッシュを実行する頻度を制御することによって燃料電池の温度を最適動作温度に近づける。
【００１７】
燃料電池システムにおける制御フローの一例を示す（図５参照）。
【００１８】
リフレッシュ制御部（として機能する制御部）は、あらかじめ制御ソフト内に織り込まれた燃料電池のＩＶ特性から、リフレッシュを実行して電圧を下げた時の燃料電池の発熱量（発熱エネルギーＴ[kJ]）を計算する（ステップＳＰ１）。
【００１９】
また、リフレッシュ制御部は、あらかじめ制御ソフト内に織り込まれたマップを参照し、過去のリフレッシュの頻度から推定されるＩＶ特性の向上代[mV]を取得する。さらに、リフレッシュ制御部は、取得した向上代から、ＩＶ特性の向上による（１秒当たりの）発熱低減量Ｌ[kW]を計算する（ステップＳＰ２）。
【００２０】
次に、熱量算出部（として機能する制御部）は、ステップＳＰ１とステップＳＰ２で計算されたそれぞれの発熱量を計算することで、リフレッシュの電圧低下による発熱量増加分とＩＶ特性向上による発熱量低減分が釣り合うまでの時間ｔ０を計算する（ステップＳＰ３）。この時間ｔ０によれば、リフレッシュによる熱収支０が見込まれる。
【００２１】
次に、ＦＣ温度（燃料電池の温度）と最適温度とを比較し（ステップＳＰ４）、バッテリーのＳＯＣ、リフレッシュ効果持続時間等から、次のリフレッシュを実行するまでの制限時間の最小値ｔ１、最大値ｔ２を計算する（ステップＳＰ５）。
【００２２】
その時点での燃料電池の最適動作温度を取得し、現在の燃料電池の温度を比較する（ステップＳＰ６）。現在の燃料電池の温度（ＦＣ温度）が最適動作温度よりも低ければ（ステップＳＰ６にてＮｏ）、時間ｔ１〜ｔ０の間に次のリフレッシュを実行し（ステップＳＰ７）、これとは逆に、現在の燃料電池の温度（ＦＣ温度）が最適動作温度よりも高ければ（ステップＳＰ６にてＹｅｓ）、時間ｔ０〜ｔ２の間に次のリフレッシュを実行する（ステップＳＰ８）。
【００２３】
上記のステップＳＰ６〜８の制御によって、リフレッシュによるＩＶ特性の向上効果を得ながら、燃料電池の最適温度に動作温度を近付けることができる。
【００２４】
また、触媒の活性回復によるＩＶ特性の向上効果に加えて、動作温度の最適化による効率向上を見込むことができる。
【００２５】
さらに、燃料電池の温度が最適温度よりも高い場合にはリフレッシュ頻度の調整によって降温することができるので、燃料電池の冷却系補機の動作温度を低減させ、燃料電池システム全体の動作効率を向上させることができる。
【００２６】
＜リフレッシュ前とリフレッシュ後の発熱量＞
リフレッシュ前とリフレッシュ後の発熱量について説明する（図１等参照）。
【００２７】
リフレッシュ制御の実行時は電圧が下がるため、発熱量が上昇する。特に大きな電流を掃引することで電圧を下げる方法でリフレッシュを実行している場合は、電流の増加によってもが発熱量が上昇する（図１参照）。
【００２８】
また、リフレッシュ制御実行後は、触媒の活性回復によってＩＶ特性が向上するため、同じ電流量に対して発熱量が減少する（図２参照）。
【００２９】
以上から、リフレッシュを実行すると、ある時間を経過した時点で「リフレッシュ実行時の増加発熱量」＝「リフレッシュ実行時後の減少発熱量」となり、熱収支が０になる。
【００３０】
また、この時間（すなわち、「リフレッシュ実行時の増加発熱量」＝「リフレッシュ実行時後の減少発熱量」となる時間）よりも早く次のリフレッシュを実行すれば  増加発熱量＞減少発熱量  となって燃料電池車は昇温し、その一方で、この時間よりも遅く次のリフレッシュを実行すれば  増加発熱量＜減少発熱量  となって燃料電池は降温する。
【００３１】
＜リフレッシュ前後の熱収支＞
リフレッシュ前後の熱収支について説明する（図３等参照）。
【００３２】
リフレッシュ実行時に一時的に発熱量が増えるが、その後、ＩＶ特性の向上によってリフレッシュ前と比べた時の発熱量は減少する（図３参照）。ある時間ｔ０で熱収支＝０になったとすると、ｔ０よりも前に次のリフレッシュを行えば全体的な熱収支がプラスとなり、ＦＣ温度が上昇する。逆に、ｔ０よりも後に次のリフレッシュを行えば、全体的な熱収支はマイナスとなり、ＦＣ温度は下降する。
【００３３】
また、次のリフレッシュまでの時間Ｔは自由に設定できるわけではなく、たとえば一時的に大きなパワーを引く（電力を掃引する）ことによってバッテリーの充電量が増えるので、リフレッシュ機能を過大にしてしまうとバッテリーの過充電につながってしまう。さらに、リフレッシュの効果は時間とともに薄れるので、リフレッシュ頻度を過少にするとリフレッシュそのものの効果が薄くなる。したがって、たとえばバッテリーのＳＯＣや、リフレッシュの最長周期から時間Ｔの最小値ｔ１、最大値ｔ２が決まる。
【００３４】
以上から、燃料電池の温度が最適温度よりも高ければｔ０〜ｔ２の間で（ｔ０よりも遅いタイミングで）次のリフレッシュを行い、逆に最適温度よりも低ければｔ１〜ｔ０の間で（ｔ０よりも早いタイミングで）次のリフレッシュを行う（図３参照）。
【００３５】
上記した制御によれば、燃料電池の温度を最適温度に近付けつつ、リフレッシュの効果を得ることができる（図４参照）。
【００３６】
すなわち、触媒表面の酸化被膜を取り除くために電圧を一時的に下げる（リフレッシュする）手段として、従前、スタックに送る空気を減らしていわゆるストイキを下げる方法や、一時的に負荷電流を増やす方法があるが、これらの方法では一時的に発電効率が悪くなり、特に大きな電流を引く（取り出す）場合には発電パワーが大きい分、燃料電池の熱損失が大きく上昇する場合がある（理由：従来のリフレッシュ制御は燃料電池の温度を参照して実行と非実行とを切り替えるための機構を備えず、リフレッシュを実行した結果、燃料電池の動作温度が高い状態にあっても実行されてしまうため）。また、燃料電池が最適動作温度に比べて高い温度で動作していた場合、リフレッシュを頻繁に行うことでさらに燃料電池の温度が上昇してしまうことがあり、そうすると、燃料電池の触媒活性は回復しても燃料電池システム全体として効率が悪化することがある（理由：従来のリフレッシュ制御は燃料電池の触媒活性を回復することを目的としており、燃料電池システム全体の効率を参照していないことから）。一方、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度を最適温度に近付けつつリフレッシュの効果を得ることで、これらの問題にも対処することができる。
【００３７】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状およびサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、燃料電池システムに適用して好適である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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