(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】燃料電池自動車の制御方法は、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り（ステップＳ２０のＹＥＳ）、更に、エアブローを行っているとき（ステップＳ３０のＹＥＳ）に、燃料電池１０に供給する水素の量を低減して、燃料電池１０の発電量を低減する。【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
を有する燃料電池自動車の制御方法であって、
前記エアブローステップ中に前記燃料電池に供給する水素の量は、
アイドル運転中であって、かつ、前記エアブローステップ直前に前記燃料電池に供給する水素の量よりも少ない
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を有し、エアブローステップ中に燃料電池に供給する水素の量は、アイドル運転中であって、かつ、エアブローステップ直前に燃料電池に供給する水素の量よりも少ないものである。
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。
【発明の効果】
【０００６】
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】
【０００７】
【図１】実施の形態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】実施の形態に係るＳＯＣと、水素ストイキ比との関係を示す図である。
【図５】実施の形態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】
【０００８】
本実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法は、アイドル運転中に、エアブローにより燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給し、各セルの滞留水を吹き飛ばして適切に排出するとともに、エアブロー中の水素供給量を、アイドル運転中であって、かつ、エアブロー直前の水素供給量、例えば、微小発電のときの水素供給量よりも少なくして燃料電池の発電量を抑制し、燃料電池の電極が高電位となることを回避するものである。
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本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。
まず、本実施の形態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、本実施の形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。
【００１０】
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。
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。
【００１１】
酸化ガス供給系２０は、フィルタ２１、エアコンプレッサ２２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、インジャクタ３２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。
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。
【００１２】
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。
冷却系５０は、ラジエータ５１、冷却水ポンプ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。
【００１３】
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。
【００１４】
次に、本実施の形態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。
【００１５】
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）。
【００１６】
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。
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、通常間欠（時刻ｔ５３〜ｔ５４）及び微小発電を行う（時刻ｔ５４〜ｔ５５）。微小発電とは、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に供給して補機へ電力を供給するものである。
【００２１】
なお、Ｐチャージ、通常間欠及び微小発電の間に、各セルでは反応生成水に由来す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。
【００２２】
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ｔ５５〜ｔ５６）。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。
【００２３】
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。
エアブローの後は、通常間欠（時刻ｔ５６〜ｔ５７）及び微小発電（時刻ｔ５７〜ｔ５８）を改めて行い、滞留水が増加したらエアブローを改めて行う（時刻ｔ５８〜ｔ５９）。つまり、通常発電、微小発電、エアブローを繰り返す。
【００２４】
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、電極が高電位になるのを回避することができず、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、本実施の形態に係る燃料電池システム１の制御方法では、エアブロー中の水素供給量を、アイドル運転中のエアブロー直前の水素供給量よりも小さくすることにより、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ｔ１〜ｔ２）、Ｐチャージ（時刻ｔ２〜ｔ３）、そして、通常間欠（時刻ｔ３〜ｔ４）及び微小発電（時刻ｔ４〜ｔ５）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】
本実施の形態では、エアブローのとき（時刻ｔ５〜ｔ６）に、燃料ガス供給系３０から燃料電池１０に供給する水素の量（水素供給量）を、エアブロー以外の通常運転モードのとき、例えば、Ｐチャージのとき（時刻ｔ２〜ｔ３）の水素供給量、燃料電池自動車が走行しているときの水素供給量、又は、アイドル運転中のエアブロー直前の水素供給量、例えば、間欠運転モードの微小発電のときの水素供給量よりも小さくして、エアブロー中の燃料電池１０の発電量を低減する。これによって、エアブロー中にＳＯＣが大幅に上昇することを防ぐことができる。
水素供給量を小さくする目安としては、燃料電池自動車が走行中のときの水素ストイキ比を１．２５とすると、エアブローのときの水素ストイキ比を１．２５よりも小さくする。
【００２８】
また、インジェクタ３２から供給する水素の量を単純に減少させて、供給水素圧を下げることで対応しても良い。すなわち、エアブロー前の供給水素圧に対して、エアブロー中の供給水素圧を下げることで水素供給量を小さくしても良い。このときの目安としては、例えば、エアブロー前の水素供給圧目標が１５０ｋＰａ−ａｂｓであったときに、エアブロー中の水素供給圧目標を１４０ｋＰａ−ａｂｓにまで減少させる。
そして、エアブロー後に、通常間欠（時刻ｔ６〜ｔ７）及び微小間欠（時刻ｔ７〜ｔ８）を改めて行い、その後、改めて、水素供給量を小さくしたエアブロー（時刻ｔ７〜ｔ８）を行う。
【００２９】
この後は、アイドル運転が続く間は、通常間欠、微小発電、エアブローの順番で処理を繰り返す。
なお、エアブローのときに供給する水素の低減量は固定とする必要はない。
図４は、本実施の形態に係るＳＯＣと、水素ストイキ比との関係を示す図である。
ＳＯＣが大きくなるに従って、水素ストイキ比を小さくするような対応も可能である。
【００３０】
図５は、本実施の形態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。
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）。
【００３１】
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）かを判定する（ステップＳ３０）。
エアブローを行っていると判定したら（ステップＳ３０のＹＥＳ）、燃料電池１０への水素供給量を低減する（ステップＳ４０）。
【００３２】
このとき、最低セル電圧が０Ｖよりも小さいかを判定する（ステップＳ５０）。水素供給量を低減することで水素欠によるセル劣化の懸念が生じるが、最低セル電圧をしきい値として設けることで水素欠リスクを低減することができる。また、水素欠が仮に発生したとしても高電位回避電流程度の電流量であり、絶対量が少ないため、セルの劣化量も限定的であると考えることができる。
【００３３】
最低セル電圧が０Ｖよりも小さいと判定したら（ステップＳ５０のＹＥＳ）、水素供給量を低減する処理を終了する（ステップＳ６０）。
そして、エアブローが終了した後は、また、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）。
【００３４】
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）、最低セル電圧が０Ｖよりも小さくないと判定したとき（ステップＳ５０のＮＯ）は、例えば、ステップＳ１０、ステップＳ２０又はステップＳ４０に戻る（ステップＳ６０）。
また、本実施の形態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。
【００３５】
以上、説明したように、本実施の形態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、各セルの滞留水を吹き飛ばして適切に排出するとともに、エアブロー中の水素供給量を、アイドル運転中であって、かつ、エアブロー直前の水素供給量よりも小さくして発電量を抑制し、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し、更に、ＳＯＣの過上昇を抑制することができるものである。
【符号の説明】
【００３６】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池
２０    酸化ガス供給系
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
【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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