(57)【要約】【課題】アイドル運転中の燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出できる燃料電池自動車の制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池の制御方法は、通常運転モード（ステップＳ１０）中にシフトポジションがＰレンジに入ってアイドル運転になったら、間欠運転モードに移行し（ステップＳ２０のＹＥＳ）、また、エアブローを行い（ステップＳ３０のＹＥＳ）、エアブロー完了（ステップＳ４０）後に、燃料電池の出力電流を強制的に０アンペアとして非発電状態を継続する間欠制御を一定期間行う（ステップＳ５０）。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アイドル運転中に、
燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給して前記燃料電池の滞留水を排出するエアブローステップと、
前記エアブローステップ後に、車両要求電力よりも前記燃料電池の出力電力を低下させる出力低下ステップと
を有する燃料電池自動車の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池自動車の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。
例えば、特許文献１には、燃料電池システムにおいて、燃料電池の端部にヒータを設け、アイドル運転中のセル間温度バラツキを抑制し、端部セルに反応生成水による水分（滞留水）が過剰に溜まることを防いで燃料電池の適正な発電を実現することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８３２１０号公報
【特許文献２】特開２０１７−１４３０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１にも記載されているように、燃料電池ではその中央セルにも滞留水が溜まることがあり、燃料電池の端部にヒータを設けても、端部セル、中央セルの両方の滞留水を時間的、量的に適切に排出することができないことがあった。
そこで、本発明は、アイドル運転中に、燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出することができる燃料電池自動車の制御方法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】
【０００５】
本発明に係る燃料電池自動車の制御方法は、アイドル運転中に、燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給して燃料電池の滞留水を排出するエアブローステップと、エアブローステップ後に車両要求電力よりも燃料電池の出力電力を低下させる出力低下ステップとを有するものである。
【０００６】
ここで、「アイドル運転中」とは、例えば、車速が０ｋｍ／ｈであって、アクセルペダルを通じて運転手から要求されるトルクが０Ｎ・ｍである場合をいう。また、「車両要求電力」とは、アイドル運転中に車両システムを起動状態にしておくのに必要な電力をいい、具体的には、燃料電池システムを維持するための燃料ガス供給系補機部品、酸化ガス供給系補機部品、冷却系補機部品などの消費電力と、エアコン、カーナビなどの車両搭載部品の消費電力とを合計したものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、アイドル運転中に、燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出できる燃料電池自動車の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。
【図２】比較例に係る燃料電池システムの制御方法を説明するための図である。
【図３】実施の形態１に係る燃料電池システム１の制御方法を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に係る補機消費電力又はＳＯＣと、間欠維持時間との関係を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る燃料電池システム１の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態２に係る燃料電池システム１の制御方法を説明するための図である。
【図７】実施の形態２に係る補機消費電力又はＳＯＣと、不足電力との関係を示す図である。
【図８】実施の形態２に係る燃料電池システム１の制御方法の処理手順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】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、各実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法について説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る燃料電池自動車の制御方法は、エアブロー後に燃料電池の出力電流を所定期間、強制的に０アンペアとして非発電状態を継続するものである。
【００１０】
まず、本実施の形態１に係る燃料電池自動車の制御方法の対象となる燃料電池システムの構成について簡単に説明する。
図１は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載電源システムとして機能するもので、燃料電池１０、酸化ガス供給系２０、燃料ガス供給系３０、電力系４０、冷却系５０、コントローラ６０、電圧センサ７１、電流センサ７２などで構成される。
【００１１】
燃料電池１０は、複数のセルを直列に積層したスタック構造（図示せず）を有しており、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電する。
酸化ガス供給系２０は、フィルタ２１、エアコンプレッサ２２、エアバルブＡ１、Ａ２などを備え、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０に供給する。
燃料ガス供給系３０は、高圧水素タンク、水素吸蔵合金などの燃料ガス供給源３１などを備え、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給する。
【００１２】
電力系４０は、バッテリ４１、トラクションモータ４２などを備え、電力の充放電を制御する。
バッテリ４１は、例えば、二次電池であって、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池自動車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などとして機能する。
【００１３】
冷却系５０は、ラジエータ５１、冷却水ポンプ（ＷＰ：Water Pump）５２などを備え、燃料電池１０に不凍液冷却水などを循環させて燃料電池１０中の各セルの温度を制御する。
コントローラ６０は、燃料電池システム１全体を統括制御する。
電圧センサ７１、電流センサ７２は、燃料電池１０の出力電圧又は出力電流を検出する。なお、電圧センサ７１、電流センサ７２に代えて、燃料電池出力センサを用いても良い。
【００１４】
なお、図１に示す構成は、特許文献２の図１に示される構成に、冷却系５０を追加したものであり、各構成の詳細については、特許文献１、２などを参照することができる。つまり、燃料電池システム１には、公知の燃料電池システムを用いることができる。
【００１５】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池自動車の制御方法について、特に、アイドル運転中の燃料電池システム１の制御方法について説明する。
まずは、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の制御方法の理解を助けるために、比較例に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。
【００１６】
図２は、比較例に係る燃料電池システムの制御方法を説明するための図である。
燃料電池システム１は、コントローラ６０が電圧センサ７１及び電流センサ７２の出力値からアイドル運転状態を検出すると、通常運転モードから間欠運転モードへと移行し、通常間欠及び０Ｖ間欠を行う（時刻ｔ５１〜ｔ５２）。
【００１７】
通常運転モードとは、燃料電池システム１に対する負荷要求が、予め設定した基準値を超えるときに選択される運転モードであって、トラクションモータ４２の要求電力を含む負荷要求の少なくとも一部を、燃料電池１０が発電する電力によりまかなう運転モードである。
【００１８】
また、間欠運転モードとは、燃料電池システム１に対する負荷要求が、予め設定した基準値以下のときに選択される運転モードである。
コントローラ６０は、燃料電池１０から引き出すべき電力（出力要求）が小さく、バッテリ４１のみからの出力電力によって出力要求を満たす電力を供給できると判断したときに、通常運転モードから間欠運転モードへと移行し、燃料電池１０の発電を一時的に停止させる。
【００１９】
なお、間欠運転モードには、更に、燃料電池１０が発電を停止する通常間欠、０Ｖ間欠などの非発電モードと、燃料電池１０が微小な発電を行なう微小発電モードとがある。０Ｖ間欠では、セル電圧が許容下限値となるようにしている。
【００２０】
非発電モードでは、バッテリ４１からエアコンプレッサ２２、各種バルブなどの補機への電力供給がなされ、バッテリ電力が大きく消費される。
通常間欠及び０Ｖ間欠（時刻ｔ５１〜ｔ５２）によりバッテリ４１の残容量ＳＯＣ（State Of Charge）が徐々に低下して許容下限値となると、通常運転モードにいったん戻ってＰチャージを行う（時刻ｔ５２〜ｔ５３）。
Ｐチャージとは、燃料電池の発電量を増やしてＳＯＣを増加させるものである。
【００２１】
ＰチャージによりＳＯＣが所定値にまで増加したら、改めて間欠運転モードに移行し、微小発電を行う（時刻ｔ５３〜ｔ５４）。微小発電は、燃料電池１０の出力電圧が目標電圧値となるように制御しつつ、燃料電池１０の予め定めた目標発電量から理論的に導出される必要酸素量を燃料電池１０に供給し、補機が必要とする電力、すなわち、車両要求電力に等しい電力を補機に供給するものである。
【００２２】
なお、Ｐチャージ及び微小発電の間に、各セルでは反応生成水による滞留水が少しずつ増加する。滞留水が増加すると、燃料電池１０の電解質膜の機械劣化、電極の触媒の溶出などのスタック劣化が起こる。このことは、特に、シフトポジションをＰレンジ又はＮレンジに入れてアイドル運転の状態で長時間放置するような商用の燃料電池自動車（例えば、バス、タクシー、フォークリフトなど）で問題となる。
【００２３】
このため、滞留水が許容上限量にまで増加したら、通常運転モードにまた戻って、燃料電池に所定量、例えば、微小発電のときよりは明らかに多く、Ｐチャージのときと同等以上の量の酸化ガスを所定期間供給するエアブローを行い、滞留水を吹き飛ばす（時刻ｔ５４〜ｔ５５）。なお、酸化ガスの当該所定量とは、滞留水を吹き飛ばすのに十分な量であって、かつ、電解質膜が過乾燥にならない量であり、実験や計算により予め求められる量である。また、当該所定期間に供給する水素量（水素圧力）は当該所定期間前と同等もしくはそれよりも少ない。
また、アイドル運転時のエアブローにより燃料電池１０の電極が高電位となると、触媒が溶出してしまうため、エアブローのときは電極が高電位とならないように、燃料電池１０から電流を掃引してバッテリ４１を充電する。
【００２４】
エアブローの後は、微小発電を改めて行い（時刻ｔ５５〜ｔ５６）、滞留水が増加したらエアブローを改めて行う（時刻ｔ５６〜ｔ５７）。つまり、微小発電と、エアブローとを交互に繰り返す。
しかしながら、アイドル運転時にエアブローと電流の掃引とを繰り返すことにより、ＳＯＣがＰチャージ以降徐々に増加して許容上限値に達し、この値以上にバッテリ４１の充電ができなくなり（時刻ｔ５７）、電極が高電位になることを回避できず、燃料電池が劣化するという新たな問題が発生する。
【００２５】
そこで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の制御方法では、エアブロー後に通常間欠を行うことにより、滞留水を適切に排出しつつ、電極が高電位になることを回避できるようにする。
【００２６】
図３は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の制御方法を説明するための図である。
コントローラ６０がアイドル運転状態を検出し、間欠運転モードの通常間欠及び０Ｖ間欠（時刻ｔ１〜ｔ２）、そして、通常運転モードのＰチャージ（時刻ｔ２〜ｔ３）を行うまでは比較例と同様の処理であって、ここではその説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態１では、Ｐチャージの後であって、エアブローの前に、通常間欠（時刻ｔ３〜ｔ４）を改めて行って、ＳＯＣをいったん低減させる。これにより、次のエアブロー（時刻ｔ５〜ｔ６）によるバッテリ４１の充電に対する準備(余力)ができる。
また、微小発電（時刻ｔ４〜ｔ５）及びエアブロー（時刻ｔ５〜ｔ６）の後に、通常間欠（時刻ｔ６〜ｔ７）を改めて行って、ＳＯＣを再度低減させる。
この後は、アイドル運転が続く間は、微小発電、エアブロー、通常間欠の順番で処理を繰り返す。
【００２８】
なお、通常間欠（時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ６〜ｔ７など）の処理時間は、スタック耐久性と電力収支とのバランスに基づいて所定時間、例えば、３０秒程度とすることができる。つまり、ＳＯＣを低下させるには通常間欠を長時間に設定することが好ましいが、通常間欠中にセル電圧低下による触媒劣化が起こる可能性もあり、これらのバランスから通常間欠の時間を設定することが好ましい。
また、本実施の形態１では、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ６〜ｔ７に、通常間欠に代えて又は通常間欠に加えて、０Ｖ間欠を用いてＳＯＣを低下させることもできる。
【００２９】
図４は、本実施の形態１に係る補機消費電力又はＳＯＣと、間欠維持時間との関係を示す図である。
通常間欠の処理持続時間は、このように、補機消費電力（又は、ＳＯＣ低下速度）やＳＯＣに応じて変更可能としても良い。
【００３０】
なお、エアブロー後に通常間欠を行うときは、燃料電池１０が開回路（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）状態となる。ＯＣＶ状態では水素分圧と酸素分圧との関係から電圧が求まるため、セル内の現象が把握しやすいという利点がある。具体的には、電圧低下挙動、水素圧低下挙動からスタック劣化やスタック滞留水のリセット状態の推定が可能となる。例えば、電圧低下が顕著であれば膜裂けなどを検知することができる。
【００３１】
図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池１０が、エアブロー後に通常間欠（間欠制御）を行う場合の処理手順を示している。
コントローラ６０は、通常運転モード（ステップＳ１０）中にシフトポジションがＰレンジ（アイドル運転）に入っているかを判定する（ステップＳ２０）。
Ｐレンジに入っていると判定したら（ステップＳ２０のＹＥＳ）、次に、エアブローを行っている（エアブローフラグＯＮ）か判定する（ステップＳ３０）。
【００３２】
エアブローを行っていると判定したら（ステップＳ３０のＹＥＳ）、エアブロー完了（ステップＳ４０）後に、間欠制御を一定時間行う（ステップＳ５０）。間欠制御では、燃料電池の出力電流を所定期間、強制的に０アンペアとし、車両要求電力よりも燃料電池の出力電力を低下させる
そして、通常間欠、微小発電、エアブローを繰り返した後に、例えば、シフトチェンジに伴い、ステップＳ１０へ戻る（ステップＳ６０）。
【００３３】
なお、Ｐレンジに入ってないと判定したとき（ステップＳ２０のＮＯ）、エアブローを行っていないと判定したとき（ステップＳ３０のＮＯ）は、例えば、ステップＳ１０又はステップＳ２０に戻る（ステップＳ６０）。
【００３４】
以上、説明したように、本実施の形態１に係る燃料電池自動車の制御方法は、エアブロー後に通常間欠を行って、各セルの滞留水を適切に排出し、かつ、電極が高電位となるのを回避することに加えて、ＳＯＣの過上昇を抑制することができるものである。
【００３５】
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る燃料電池自動車の制御方法は、エアブロー後に、燃料電池の動作点（出力電圧、出力電流）を低出力側にシフトさせ、車両要求電力よりも少ない出力電力を一定時間継続するものである。
【００３６】
なお、本実施の形態２に係る燃料電池自動車の制御方法の対象となる燃料電池システムの構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１のものと同様で良く、ここでは図示及び説明を省略する。
【００３７】
次に、本実施の形態２に係る燃料電池自動車の制御方法について、特に、アイドル運転中の燃料電池システム１の制御方法について説明する。
図６は、本実施の形態２に係る燃料電池システム１の制御方法を説明するための図である。
コントローラ６０がアイドル運転状態を検出し、通常間欠及び０Ｖ間欠（時刻ｔ１１〜ｔ１２）、Ｐチャージ（時刻ｔ１２〜ｔ１３）を行うまでは比較例又は実施の形態１の処理と同様であって、説明は省略する。
【００３８】
本実施の形態２では、Ｐチャージの後であって、エアブローの前に、比較例と同様に間欠運転モードの微小発電（時刻ｔ１３〜ｔ１４）を行うが、このときの燃料電池１０の発電電力を、車両要求電力以下、すなわち、補機などの消費電力以下とし、バッテリ電力による補機などの電力負担を増加させ、ＳＯＣを徐々に低下させる。これにより、次のエアブロー（時刻ｔ１４〜ｔ１５）までの間にＳＯＣに余裕が生まれ、電力収支を調整することができる。
エアブロー（時刻ｔ１４〜ｔ１５）後の微小発電（時刻ｔ１５〜ｔ１６）についても、同様に、燃料電池の出力電力を車両要求電力よりも小さくして、ＳＯＣを低下させる。
【００３９】
図７は、本実施の形態２に係る補機消費電力又はＳＯＣと、不足電力との関係を示す図である。
車両要求電力よりも低く設定する電力量（不足電力）αｋＷは、補機消費電力量（又は、ＳＯＣ低下速度）やＳＯＣに応じて変更することができ、エアブローにより発生する電力とＳＯＣ消費量とをつり合せてＳＯＣ収支を±０％とすることもできる。
【００４０】
図８は、本実施の形態２に係る燃料電池システム１の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池１０が、エアブロー後に車両要求電力よりも少ない出力電力で微小発電を行う場合の処理手順を示している。
エアブロー完了までの処理手順（ステップＳ１１０〜Ｓ１４０）は、図５に示す実施の形態１のもの（ステップＳ１０〜Ｓ４０）と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００４１】
エアブロー完了（ステップＳ１４０）後に、車両要求電力よりも少ない出力電力で微小発電を行う（ステップＳ１５０）。
そして、エアブロー、微小発電を繰り返した後に、例えば、シフトチェンジに伴い、ステップＳ１１０へ戻る（ステップＳ１６０）。
【００４２】
以上、説明したように、本実施の形態２に係る燃料電池自動車の制御方法は、エアブロー後に車両要求電力よりも少ない出力電力で微小発電を行って、各セルの滞留水を適切に排出し、かつ、電極が高電位となるのを回避することに加えて、ＳＯＣの過上昇を抑制することができるものである。
【００４３】
なお、他の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法として、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせることもできる。すなわち、Ｐチャージ及びエアブローの後に、通常間欠及び車両要求電力よりも少ない出力電力の微小発電をそれぞれ行っても良い。これによれば、より一層ＳＯＣを低下させることができる。
また、実施の形態１、２ではシフトポジションが「Ｐレンジ」であることを条件としたが、シフトポジションが「Ｎレンジ」であることを条件としても良い。
【符号の説明】
【００４４】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池
２０    酸化ガス供給系
２２    エアコンプレッサ
３０    燃料ガス供給系
４０    電力系
４１    バッテリ
５０    冷却系
６０    コントローラ
７１    電圧センサ
７２    電流センサ
Ａ１、Ａ２    エアバルブ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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