(57)【要約】【課題】アイドルストップ運転から通常運転への復帰時に燃料電池に生じる劣化を抑制しつつ、応答性よく通常運転へと復帰することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】アイドルストップ運転への移行が判定された場合、酸化剤ガス供給流路１０ａを遮断した状態で、燃料極に燃料ガスの供給を行い、燃料電池スタック１から出力を取り出すことによって、酸化剤極における酸化剤ガスの消費処理を行うアイドルストップ移行制御を行う。また、通常制御への復帰が判定された場合、酸化剤ガス供給流路１０ａの遮断を解除して、に酸化剤ガスの供給を行うとともに、燃料極に燃料ガスの供給を行うアイドルストップ復帰制御を行う。【選択図】図１
2008047390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
酸化剤ガス供給流路を介して前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガス供給流路を介して前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられており、自己の開閉状態に応じて、前記酸化剤ガス供給流路を遮断可能な供給側遮断手段と、
前記燃料電池から出力を取り出す出力取出手段と、
要求出力に応じて前記燃料電池の発電を行う通常運転から、前記燃料電池の発電を一時的に停止するアイドルストップ運転への移行を判定するとともに、前記アイドルストップ運転から前記通常運転への復帰を判定するアイドルストップ判定手段と、
前記酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段と、前記供給側遮断手段との状態をそれぞれ制御するとともに、前記出力取出手段によって取り出す出力を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記アイドルストップ判定手段によって前記アイドルストップ運転への移行が判定された場合、前記供給側遮断手段によって前記酸化剤ガス供給流路を遮断した状態で、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料極に燃料ガスの供給を行い、前記電流取出手段によって前記燃料電池から出力を取り出すことによって、前記酸化剤極における酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費処理を行うアイドルストップ移行制御を行い、
前記アイドルストップ判定手段によって前記通常制御への復帰が判定された場合、前記供給側遮断手段による前記酸化剤ガス供給流路の遮断を解除して、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤極に酸化剤ガスの供給を行うとともに、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料極に燃料ガスの供給を行うアイドルストップ復帰制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記アイドルストップ復帰制御において、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤極に酸化剤ガスの供給を行う前提として、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料極に燃料ガスの供給を行うことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の酸化剤極からのガスを排出する酸化剤ガス排出流路に設けられており、自己の開度に応じて、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記アイドルストップ復帰制御において、前記供給側遮断手段による前記酸化剤ガス供給流路の遮断を解除するとともに、前記酸化剤ガス調圧手段を閉じることを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガス排出流路の前記酸化剤ガス圧力調整手段よりも上流側に設けられており、自己の開閉状態に応じて、前記酸化剤ガス排出流路を遮断可能な排出側遮断手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記アイドルストップ移行制御において、前記排出側遮断手段によって前記酸化剤ガス排出流路を遮断することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記アイドルストップ移行制御において、前記供給側遮断手段によって前記酸化剤ガス供給流路を遮断した後に、前記排出側遮断手段によって前記酸化剤ガス排出流路を遮断した状態で、前記燃料ガス供給手段によって燃料ガスの供給を行い、前記電流取出手段によって前記燃料電池から出力を取り出すことを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の酸化剤極へ供給される酸化剤ガスの圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記アイドルストップ復帰制御において、前記供給側遮断手段による前記酸化剤ガス供給流路の遮断を解除して、前記酸化剤ガス圧力検出手段によって検出される酸化剤ガスの圧力が、要求出力に応じた酸化剤ガスの目標運転圧力に到達するまで、前記酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスの供給を行った後に、前記排出側遮断手段による前記酸化剤ガス排出流路の遮断を解除することを特徴とする請求項４または５に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記アイドルストップ復帰制御において、前記供給側遮断手段による前記酸化剤ガス供給流路の遮断を解除した際に、前記酸化剤ガス圧力検出手段によって検出される酸化剤ガスの圧力が、要求出力に応じた酸化剤ガスの目標運転圧力に到達している場合には、前記酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給を行わないことを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記出力取出手段によって前記燃料電池から要求出力を取り出した際に、前記燃料電池から取り出される実出力が前記要求出力よりも低下する場合には、前記酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスの供給を開始することを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記アイドルストップ移行制御において、前記供給側遮断手段によって前記酸化剤ガス供給流路を遮断した状態で、前記酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスを供給し、前記酸化剤ガス供給手段から前記供給側遮断手段までの間を加圧する加圧処理を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガス供給手段は、コンプレッサを含み、
前記制御手段は、アイドルストップ運転中において許容できる前記コンプレッサの上限回転数を特定し、前記加圧処理において、前記コンプレッサの実回転数が、前記特定された上限回転数以下となるように、前記コンプレッサを制御することを特徴とする請求項９に記載された燃料電池システム。
【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係り、特に、燃料電池の発電を一時的に停止するアイドルストップ運転時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、システム起動時に、酸化剤極および燃料極の両者に酸化剤ガスが存在している場合、燃料極側に存在する酸化剤ガスと新たに供給される燃料ガスとの境界面である燃料ガスフロントの存在によって燃料電池が劣化してしまう可能性がある。具体的には、燃料極側において燃料ガスフロントが存在する場合、燃料極側のうち燃料ガスが存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、以下の反応が生じる。
【０００３】
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
この反応により、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池を劣化させてしまう。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池システムの起動時または停止時に、酸化剤極への酸化剤ガスの流入を遮断した状態で、燃料極へ水素を供給し、燃料電池から出力を取り出すことによって、酸化剤極に残留した酸化剤ガスを消費させる手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１５８５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような酸化剤ガス消費処理は、燃料電池の発電を一時的に停止するアイドルストップ運転に移行する場合に行うことも有効である。しかしながら、この酸素消費処理では、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路に存在する酸化剤ガスまでも消費してしまう。そのため、アイドルストップ運転から、要求出力に応じた発電を行う通常運転へと復帰する場合、コンプレッサを駆動させて酸化剤ガスの供給を行ったとしても、初期的には、酸化剤極へ酸化剤ガス以外のガス（おもに窒素ガス）しか流入しないという問題がある。そのため、アイドルストップ運転から通常運転へと復帰する際に応答遅れにつながり、車速が大きいといったように、要求出力が高くなるケースにおいてアイドルストップ運転を行うことが不可能となる虞がある。また、応答性の悪化を補うために、酸化剤ガスを早く多く酸化剤極に供給すべく、コンプレッサを高回転で駆動させることも考えられるが、ユーザが駆動音に違和感を憶える虞があり、音振性能に問題があった。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アイドルストップ運転から通常運転への復帰時に燃料電池に生じる劣化を抑制しつつ、応答性よく通常運転へと復帰することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、燃料電池と、酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段と、出力取出手段と、アイドルストップ判定手段と、制御手段とを有する。ここで、燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う。酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給流路を介して燃料極に燃料ガスを供給する。供給側遮断手段は、酸化剤ガス供給流路に設けられており、自己の開閉状態に応じて、酸化剤ガス供給流路を遮断可能な。出力取出手段は、燃料電池から出力を取り出す。アイドルストップ判定手段は、要求出力に応じて燃料電池の発電を行う通常運転から、燃料電池の発電を一時的に停止するアイドルストップ運転への移行を判定するとともに、アイドルストップ運転から通常運転への復帰を判定する。制御手段は、酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段と、供給側遮断手段との状態をそれぞれ制御するとともに、出力取出手段によって取り出す出力を制御する。この場合、制御手段は、アイドルストップ判定手段によってアイドルストップ運転への移行が判定された場合、供給側遮断手段によって酸化剤ガス供給流路を遮断した状態で、燃料ガス供給手段によって燃料極に燃料ガスの供給を行い、電流取出手段によって燃料電池から出力を取り出すことによって、酸化剤極における酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費処理を行うアイドルストップ移行制御を行い、アイドルストップ判定手段によって通常制御への復帰が判定された場合、供給側遮断手段による酸化剤ガス供給流路の遮断を解除して、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤極に酸化剤ガスの供給を行うとともに、燃料ガス供給手段によって燃料極に燃料ガスの供給を行うアイドルストップ復帰制御を行う。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アイドルストップ移行制御によって酸化剤極に残留する酸化剤ガスを消費することができるので、通常運転への復帰時に燃料ガスが供給されても、燃料電池に生じる劣化を抑制することができる。また、酸化剤ガス消費処理を行う場合には、供給側遮断手段によって酸化剤ガス供給流路が遮断されているため、供給側遮断手段よりも上流側の酸化剤ガスが消費されるといった事態を抑制することができる。そのため、通常運転に復帰する際には、この上流側に存在する酸化剤ガスが酸化剤極へと供給されるため、通常運転への復帰時にはすぐに酸化剤ガスを酸化剤極へ供給することができる。これにより、応答性よく通常運転へと復帰することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、個々の燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、個々の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う。燃料ガスとしては、例えば、水素を用いることができ、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素（具体的には、酸素を含んだ空気）を用いることができる。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する車両用駆動モータ等の電源として、車両（燃料電池車両）に搭載される。
【００１０】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス系１０と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給するための燃料ガス系２０とが備えられている。
【００１１】
酸化剤ガス系１０において、酸化剤ガスは、例えば、空気供給装置１１によって取り込まれた大気がコンプレッサ１２によって加圧されることにより、酸化剤ガス供給流路１０ａを介して燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される。本実施形態において、空気供給装置１１およびコンプレッサ１２は、酸化剤ガス供給手段として機能する。酸化剤ガス供給流路１０ａには、例えば、中空糸膜を用いた加湿装置１３が設けられており、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスは、この加湿装置１３によって加湿される。
【００１２】
燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された酸化剤ガス）は、酸化剤ガス排出流路１０ｂを介して外部（大気）に排出される。この酸化剤ガス排出流路１０ｂには、上述した加湿装置１３が設けられており、排出ガスの除湿が行われる（加湿装置１３は、排出ガスと、供給側の酸化剤ガスとの間で水分交換を行い、これにより、供給側の酸化剤ガスを加湿する）。
【００１３】
酸化剤ガス排出流路１０ｂには、酸化剤ガス調圧弁１４が設けられている。酸化剤ガス調圧弁１４は、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガス圧力と酸化剤ガス流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ１２の駆動量（回転数）とともに制御部３０によって制御される。
【００１４】
また、本実施形態の特徴の一つとして、酸化剤ガス系１０には、この酸化剤ガス系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する規制手段が設けられており、この規制手段は、供給側シャット弁１５と排出側シャット弁１６とで構成される。ここで、規制手段である供給側シャット弁１５と排出側シャット弁１６による規制は、好ましくは、燃料電池スタック１への外気の進入を完全にストップさせるような状態であるが、構造・機械的な問題等によって抑制することが不可能な範囲において外気が進入してしまうような状態を排除するものではない。
【００１５】
供給側シャット弁１５は、酸化剤ガス供給流路１０ａに設けられており、自己の開閉状態に応じて、酸化剤ガス供給流路１０ａを遮断することができる。供給側シャット弁１５は、その開閉状態が制御部３０によって制御されており、必要に応じて開状態から閉状態へと切り換えられることにより、酸化剤ガス供給流路１０ａから燃料電池スタック１側への酸化剤ガス（外気）の進入を規制する。
【００１６】
排出側シャット弁１６は、酸化剤ガス排出流路１０ｂに設けられており、自己の開閉状態に応じて、酸化剤ガス排出流路１０ｂを遮断することができる。排出側シャット弁１６は、その開閉状態が制御部３０によって制御されており、必要に応じて開状態から閉状態へと切り換えられることにより、酸化剤ガス排出流路１０ｂから燃料電池スタック１側への酸化剤ガスの進入を規制する。
【００１７】
ここで、酸化剤極を含む供給側シャット弁１５と排出側シャット弁１６との間の体積を最小にするとの観点から、供給側シャット弁１５は、酸化剤ガス供給流路１０ａにおいて燃料電池スタック１の直上に設けられており、排出側シャット弁１６は、酸化剤ガス排出流路１０ｂにおいて燃料電池スタック１の直下に設けられていることが好ましい。
【００１８】
燃料ガス系２０において、燃料ガスは、燃料供給手段から燃料ガス供給流路２０ａを介して燃料電池スタック１の燃料極に供給される。具体的には、燃料ガス供給流路２０ａの最上流側には、例えば、高圧燃料ガスボンベである燃料タンク２１が設けられており、また、燃料タンク２１の下流の燃料ガス供給流路２０ａには燃料ガス供給弁（図示せず）が設けられている。この燃料ガス供給弁が開状態となると、燃料タンク２１からの高圧燃料ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された燃料ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた燃料ガス調圧弁２２によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。本実施形態において、燃料タンク２１および燃料ガス供給弁が燃料供給手段を構成する。燃料ガス供給弁は、燃料電池スタック１への燃料ガス供給の必要性に応じて、後述する制御部３０によってその開閉状態が制御され、また、燃料ガス調圧弁２２は、燃料電池スタック１へ供給される燃料ガス圧力が所望の値となるように、制御部３０によってその開度が制御される。
【００１９】
燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の燃料ガスを含む排出ガス）は、燃料ガス循環流路２０ｂへと排出される。この燃料ガス循環流路２０ｂは、他方の端部が燃料ガス調圧弁２２よりも下流側の燃料ガス供給流路２０ａに接続されている。燃料ガス循環流路２０ｂには、例えば、燃料ガス循環ポンプ２３といった燃料ガス循環手段が設けられている。この燃料ガス循環ポンプ２３により、燃料極の排出側から排出された燃料ガスはその供給側へと循環され、燃料ガスの燃費向上を図ることができる。燃料ガス循環ポンプ２３の駆動量（回転数）は、燃料電池スタック１へ供給される燃料ガス流量が所望の値となるように、制御部３０によってその回転数が制御される。
【００２０】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出部２が接続されている。出力取出部２は、制御部３０によって制御され、要求出力に応じて、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電力）を取り出して、この取り出した出力を車両用駆動モータ（図示せず）、二次電池（図示せず）、または、燃料電池システムを動作させる種々の補機（例えば、燃料ガス循環ポンプ２３、コンプレッサ１２など）へと供給する。
【００２１】
制御部３０は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の発電動作を制御する。制御部３０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。本実施形態において、制御部３０は、通常運転と、アイドルストップ運転とを含む２つの運転モードを有している。ここで、通常運転は、要求出力に応じて燃料電池スタック１の発電を行うモードである。ここで、要求出力は、例えば、車速およびアクセル踏込量に応じた車両用駆動モータの消費電力、および、燃料電池スタック１が発電動作を行うために必要な補機等の消費電力を考慮して決定される。一方、アイドルストップ運転は、燃料極への燃料ガスの供給および酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止して、燃料電池スタック１の発電を一次的に停止するモードである。本実施形態の特徴の一つとして、制御部３０は、アイドルストップ判定と、アイドルストップ制御とを行う。アイドルストップ判定において、制御部３０は、通常運転からアイドルストップ運転への移行と、アイドルストップ運転から通常運転への復帰とを判定する。
【００２２】
２次電池を備える燃料電池車両であれば、例えば、要求出力が２次電池の放電量で十分に賄える状態、または、アクセル踏込量がゼロの状態を判定すると、通常運転からアイドルストップ運転への移行を判定する。この判定結果に応じて、制御部３０は、通常運転からアイドルストップ運転に移行する。また、要求出力が２次電池の放電量で十分に賄えない状態、または、アクセルが踏み込まれた状態を判定すると、アイドルストップ運転から通常運転への復帰を判定する。この判定結果に応じて、制御部３０は、アイドルストップ運転から通常運転へと復帰する。
【００２３】
アイドルストップ制御は、アイドルストップ運転を含む一連の制御であり、アイドルストップ運転へと移行するためのアイドルストップ移行制御と、通常運転へと復帰するためのアイドルストップ復帰制御とを含む。なお、アイドルストップ制御の詳細については後述する。
【００２４】
制御部３０には、燃料電池スタック１の運転状態を検出すべく、各種の検出部３１〜３３からの検出信号が入力されている。酸化剤ガス圧力検出部３１は、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される酸化剤ガス圧力を検出する。燃料ガス圧力検出部３２は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される燃料ガス圧力を検出する。電圧検出部３３は、燃料電池スタック１における発電電圧を検出する。
【００２５】
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて実行されるアイドルストップ制御について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態にかかるアイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御部３０によって実行される。アイドルストップ制御を行う前提として、制御部３０は、要求出力に応じて燃料電池スタック１の発電状態を制御する通常運転を行っている。
【００２６】
まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、アイドルストップ運転に移行するか否かが判断される。ステップ１０において肯定判定された場合、すなわち、アイドルストップ運転に移行する場合には、ステップ１１（Ｓ１１）に進む。一方、ステップ１０において否定判定された場合、すなわち、アイドルストップ運転に移行しない場合には、所定時間後に再度ステップ１０の判断を行う。
【００２７】
ステップ１１において、供給側シャット弁１５が全閉されるとともに、コンプレッサ１２の運転が停止される。コンプレッサ１２の運転を停止することにより、燃料電池スタック１の酸化剤極へ酸化剤ガスが供給されなくなり、また、供給側シャット弁１５を全閉することにより、酸化剤ガス供給流路１０ａから燃料電池スタック１への酸化剤ガスの進入が規制される。
【００２８】
ステップ１２（Ｓ１２）において、燃料ガスの供給を行う。燃料ガスの供給は、後述する酸化剤ガスの消費処理に応じて、燃料極と酸化剤極との膜間差圧等を考慮して予め設定された圧力および流量にてこれを行う。
【００２９】
ステップ１３（Ｓ１３）において、出力取出部２に対して出力取出指令が出力される。出力取出指令は、燃料電池スタック１から取り出す出力の指令値であり、出力取出部２は、この出力取出指令に応じて燃料電池スタック１から出力を取り出す。出力取出部２が燃料電池スタック１から出力を取り出すことにより、燃料電池スタック１では発電動作にともない酸化剤ガスおよび燃料ガスが消費される。この際、酸化剤極への酸化剤ガスの供給は停止されており、かつ、供給側シャット弁１５によって酸化剤極への酸化剤ガスの進入が規制されているため、酸化剤極の酸化剤ガスは徐々に減少する傾向となる（酸化剤ガス消費処理）。この出力取出指令は、酸化剤ガスの消費処理を前提に、消費すべき酸化剤ガスの容量、燃料ガスの供給状態等を考慮して、予め設定されている固定値を使用してもよいし、酸化剤極における酸化剤ガスの消費程度に応じて、可変値を使用してもよい。可変値を使用する場合には、酸化剤ガスの消費程度を参照できる種々のパラメータに基づいて、その値を設定することができる。一例としては、電圧検出部３３によって検出される発電電圧に基づいて、その値が０ボルトに近づくように、出力取出指令をフィードバック制御する手法が挙げられる。
【００３０】
ステップ１４（Ｓ１４）において、酸化剤ガス消費処理を終了するか否かを判定する（終了判定）。本実施形態において、酸化剤ガス消費処理は、酸化剤極における酸化剤ガスが消費されたことを条件として終了する。そこで、このステップ１４では、電圧検出部３３によって検出される発電電圧と、判定値とが比較され、発電電圧が判定値以下であるか否かが判断される。酸化剤極における酸化剤ガスが消費された場合、燃料電池スタック１において発電に必要な反応が生じないため、その発電電圧は概ねゼロとなる。そこで、燃料電池スタック１の発電電圧が概ねゼロであることみなせる程度の値を、実験やシミュレーションを通じて判定値として予め設定することにより、酸化剤極における酸化剤ガスの消費を判定することができる。
【００３１】
ステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、酸化剤ガス消費処理を終了する場合には、ステップ１５に進む。一方、ステップ１４において否定判定された場合、すなわち、酸化剤ガス消費処理を終了しない場合には、ステップ１３に戻る。
【００３２】
ステップ１５（Ｓ１５）において、出力取出部２に対して出力の取り出しの終了を指示し、また、燃料ガス供給弁を全閉することにより燃料ガスの供給を停止する。
【００３３】
ステップ１６（Ｓ１６）において、アイドルストップモードを行う。このアイドルストップモードでは、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給が停止される。すなわち、コンプレッサ１２の運転停止、燃料ガス循環ポンプ２３の運転停止といったように、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給を停止するすべての処理が行われる。
【００３４】
ステップ１７（Ｓ１７）において、アクセルペダルの踏み込みといったように、通常運転を必要とする出力要求があるか否かが判断される。このステップ１７において肯定判定された場合、すなわち、出力要求がある場合には、ステップ１８（Ｓ１８）に進む。一方、ステップ１７において否定判定された場合、すなわち、出力要求がない場合には、ステップ１６に戻る。
【００３５】
ステップ１８において、燃料ガスの供給を行う。燃料ガスの供給を行う場合、燃料ガスの目標運転圧力および目標運転流量を設定し、これに応じて、燃料ガス調圧弁２２の開度および燃料ガス循環ポンプ２３の回転数を制御する。これらの目標運転圧力および目標運転流量は、要求出力に依存して決定される値であるため、燃料電池システムの特性を考慮して予め作成されたマップ等を用い、要求出力から目標運転圧力および目標運転流量を設定する。そして、制御部３０は、要求出力に応じて設定された目標運転圧力および目標運転流量となるように、燃料ガス調圧弁２２の開度および燃料ガス循環ポンプ２３の回転数を制御する。
【００３６】
ステップ１９（Ｓ１９）において、酸化剤ガス調圧弁１４が全閉される。そして、ステップ２０（Ｓ２０）において、コンプレッサ１２に対して、その回転数を指令する回転数指令を出力する。酸化剤ガス調圧弁１４が全閉されている関係上、コンプレッサ１２の回転数指令は、酸化剤ガスの目標運転圧力に応じて設定される。この目標運転圧力は、要求出力または燃料ガスの目標運転圧力に依存して決定される値であるため、燃料電池システムの特性を考慮して予め作成されたマップ等を用い、要求出力またはまたは燃料ガスの目標運転圧力から酸化剤ガスの目標運転圧力を設定する。そして、コンプレッサ１２の出力特性を規定したマップ参照することにより、設定された目標運転圧力に応じて、コンプレッサ１２の回転数が決定される。そして、この回転数となるようにコンプレッサ１２に対して回転数指令が出力される。
【００３７】
ステップ２１（Ｓ２１）において、燃料電池スタック１から要求出力を取り出すべく、出力取出部２に対して要求出力取出指令が出力される。そして、ステップ２２（Ｓ２２）において、供給側シャット弁１５を全開にする。
【００３８】
ステップ２３（Ｓ２３）において、酸化剤ガス圧力検出部３１によって検出される酸化剤ガス圧力（実酸化剤ガス圧力）を参照し、実酸化剤ガス圧力が要求出力に応じた酸化剤ガスの目標運転圧力に到達しているか否かが判定される。ステップ２３において肯定判定された場合、すなわち、実酸化剤ガス圧力が酸化剤ガスの目標運転圧力に到達している場合には、ステップ２５（Ｓ２５）に進む。一方、ステップ２３において否定判定された場合、すなわち、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に到達していない場合には、ステップ２４（Ｓ２４）に進む。
【００３９】
ステップ２４において、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に近づくように、コンプレッサ１２の回転数が補正され、一方、ステップ２５では、通常制御に移行し、例えば、酸化剤ガス調圧弁１４の制御を行う。
【００４０】
このように本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ運転への移行が判定された場合、供給側シャット弁１５によって酸化剤ガス供給流路１０ａを遮断した状態で、燃料ガス供給手段によって燃料極に燃料ガスの供給を行い、出力取出部２によって燃料電池スタック１から出力を取り出すことによって、酸化剤極における酸化剤ガスの消費処理を行うアイドルストップ移行制御を行う。また、制御部３０は、通常制御への復帰が判定された場合、供給側シャット弁１５による酸化剤ガス供給流路１０ａの遮断を解除して、コンプレッサ１２によって酸化剤極に酸化剤ガスの供給を行うとともに、燃料ガス供給手段によって燃料極に燃料ガスの供給を行うアイドルストップ復帰制御を行う。
【００４１】
かかる構成によれば、アイドルストップ移行制御によって酸化剤極に残留する酸化剤ガスを消費することができるので、通常運転への復帰時に燃料ガスが供給されても、燃料電池スタック１に生じる劣化を抑制することができる。また、酸化剤ガス消費処理を行う場合には、供給側シャット弁１５によって酸化剤ガス供給流路１０ａが遮断されているため、供給側シャット弁１５よりも上流側の酸化剤ガスが消費されるといった事態を抑制することができる。そのため、通常運転に復帰する際には、この上流側に存在する酸化剤ガスが酸化剤極へと供給されるため、コンプレッサ１２を高回転で駆動させる必要もなく、復帰時にはすぐに酸化剤ガスを酸化剤極へ供給することができる。これにより、応答性よく通常運転へと復帰することが可能となる。
【００４２】
また、車速がある程度出ている状態で、アイドルストップ運転から通常運転へと復帰しても、その処理に要する時間が短ければ、二次電池の補助がなくても（或いは、バッテリ補助では賄えないような出力を要求されても）、要求出力を満たす出力を実現することができる。そのため、アイドルストップ制御が適用できる領域を拡大させることが可能となり、ひいては、燃料電池車両の燃費向上を図ることができる。
【００４３】
また、本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ復帰制御において、コンプレッサ１２によって酸化剤極に酸化剤ガスの供給を行う前提として、燃料ガス供給手段によって燃料極に燃料ガスの供給を行う。かかる構成によれば、燃料極側へ燃料ガスを優先的に供給することで、昇圧能力の低いコンプレッサ１２によって大量の酸化剤ガスが投入された際に、酸化剤極側の圧力が急激に上昇するといった事態に対応することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ復帰制御において、供給側シャット弁１５による酸化剤ガス供給流路の遮断を解除するとともに、酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス調圧弁１４を閉じる。かかる構成によれば、通常運転へと復帰する際に、酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を急速に上昇させることが可能となる。
【００４５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、アイドルストップ移行制御およびアイドルストップ復帰制御において、排出側シャット弁１６の開閉状態を制御する点にある。なお、本実施形態にかかる燃料電池システムは、その構成において第１の実施形態にかかる燃料電池システムと同じであり、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
図３は、本発明の第２の実施形態にかかるアイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、本実施形態にかかるアイドルストップ制御において、第１の実施形態のそれと同一の手順については、同一のステップ番号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
まず、ステップ１０においてアイドルステップ運転に移行すると判断されると、これに続くステップ１１ａ（Ｓ１１ａ）において、供給側シャット弁１５が全閉され、コンプレッサ１２の運転が停止されるとともに、排出側シャット弁１６が全閉される。
【００４８】
第１の実施形態に示すように、ステップ１２からステップ１８の処理を実行し、これに続くステップ１９ａ（Ｓ１９ａ）において、酸化剤ガス調圧弁１４が全閉されるとともに、排出側シャット弁１６が全閉される。
【００４９】
つぎに、ステップ２０からステップ２２の処理を実行し、これに続くステップ２３において、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に到達していると判断されると、ステップ２６（Ｓ２６）に進む。そして、ステップ２６において、排出側シャット弁が全開されると、これに続くステップ２５において、通常制御へと移行して、例えば、例えば、酸化剤ガス調圧弁１４の制御を行う。
【００５０】
このように本実施形態によれば、制御部３０は、アイドルストップ移行制御において、酸化剤ガス排出流路１０ｂの酸化剤ガス調圧弁１４よりも上流側に設けられた排出側シャット弁１６によって酸化剤ガス排出流路１０ｂを遮断する。かかる構成によれば、アイドルストップ移行制御において排出側シャット弁１６を遮断しておくことにより、アイドルストップ復帰制御において酸化剤ガスを供給する際に、酸化剤ガス調圧弁１４まで酸化剤ガスを供給して昇圧するよりも、少ない空間に酸化剤ガスを満たすこととなるので、酸化剤極における酸化剤ガスの昇圧を有効に行うことができる。
【００５１】
また、本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ移行制御において、供給側シャット弁１５によって酸化剤ガス供給流路１０ａを遮断した後に、排出側シャット弁１６によって酸化剤ガス排出流路１０ｂを遮断した状態で、燃料ガス供給手段によって燃料ガスの供給を行い、出力取出部２によって燃料電池スタック１から出力を取り出す。かかる構成によれば、アイドルストップ移行制御時に、排出側シャット弁１６を遮断することで、アイドルストップ復帰制御において排出側シャット弁１６を遮断する必要がないので、通常運転への復帰への応答性が向上する。また、供給側シャット弁１５および排出側シャット弁１６によって酸化剤極を閉じきることで、酸化剤ガス消費処理を短時間で終了させることができる。
【００５２】
さらに、本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ復帰制御において、供給側シャット弁１５による酸化剤ガス供給流路１０ａの遮断を解除して、実酸化剤ガス圧力が、要求出力に応じた酸化剤ガスの目標運転圧力に到達するまで、コンプレッサ１２によって酸化剤ガスの供給を行った後に、排出側シャット弁１６による酸化剤ガス排出流路１０ｂの遮断を解除する。かかる構成によれば、アイドルストップ復帰制御時に、排出側シャット弁１６を遮断した状態で酸化剤ガスを供給することにより、酸化剤ガス調圧弁１４まで酸化剤ガスを供給して昇圧を行うよりも、少ない空間に酸化剤ガスを満たすこととなる。そのため、素早く酸化剤極における酸化剤ガスの昇圧を行うことができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第２の実施形態のそれと相違する点は、アイドルストップ移行制御において、コンプレッサ１２から供給側シャット弁１５までの間を加圧する加圧処理を行う点と、アイドルストップ復帰制御において、必要に応じて、コンプレッサ１２の運転を停止する点である。なお、本実施形態にかかる燃料電池システムは、その構成において第１の実施形態にかかる燃料電池システムと同じであり、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
図４は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムにおけるアイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、本実施形態にかかるアイドルストップ制御において、第２の実施形態のそれと同一の手順については、同一のステップ番号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
まず、ステップ１０においてアイドルステップ運転に移行すると判断されると、これに続くステップ２７（Ｓ２７）において、コンプレッサ１２の上限回転数が特定される。ステップ２７において特定されるコンプレッサ１２の上限回転数は、アイドルストップ運転時に許容される、音振性能を考慮したコンプレッサ１２の回転数の最大値である。例えば、車速が速い状態では、ロードノイズが大きくなるため、コンプレッサ１２の回転にともなうノイズに対する乗員の違和感が低減するため、コンプレッサ１２の上限回転数も大きくなる。また、冷却用のラジエータ（図示せず）のファンが回転している場合には、ファン自体のノイズがあるため、コンプレッサ１２の回転にともなうノイズに対する乗員の違和感が低減するため、コンプレッサ１２の上限回転数も大きくなる。コンプレッサ１２の上限回転数は、例えば、車速やラジエータファンの回転といった種々のノイズ要素を考慮して、車両の運転状態に応じたコンプレッサ１２の上限回転数が、実験やシミュレーションを通じてマップ等として作成されており、これが制御部３０に格納されている。制御部３０は、車速やラジエータファンの回転といった種々のノイズ要素に基づいて、例えば、マップを用いて、コンプレッサ１２の上限回転数を特定する。
【００５６】
ステップ２７に続くステップ１１ｂ（Ｓ１１ｂ）において、供給側シャット弁１５および排出側シャット弁１６が全閉される。そして、ステップ２８（Ｓ２８）において、ステップ２７において上限回転数が、回転数指令としてコンプレッサ１２に対して出力される。上述したように、供給側シャット弁１５は既に全閉された状態であり、コンプレッサ１２に回転数指令を出力することにより、コンプレッサ１２から供給側シャット弁１５までの間が加圧されることとなる（加圧処理）。なお、上述したステップ１６の処理、すなわち、アイドルストップモードの実行時にも、このコンプレッサ１２の運転は継続される。ただし、供給側シャット弁１５が全閉されているため、酸化剤極側へと酸化剤ガスが供給されることなく、燃料電池スタック１の発電を一時的に停止することができる。
【００５７】
そして、上述したように、ステップ１２からステップ２２までの処理を実行すると、ステップ２９（Ｓ２９）において、酸化剤ガス圧力検出部３１によって検出される酸化剤ガス圧力（実酸化剤ガス圧力）が、目標運転圧力に到達しているか否かが判断される。ステップ２９の前提であるステップ２２において、供給側シャット弁１５が全開されているため、このステップ２９では、供給側シャット弁１５が全開された段階で、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に到達しているか否かが判断されることとなる。
【００５８】
ステップ２９において肯定判定された場合、すなわち、供給側シャット弁１５が全開された段階で、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に到達している場合には、ステップ３０（Ｓ３０）に進む。一方、ステップ２９において否定判定された場合、すなわち、供給側シャット弁１５が全開された段階で、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に到達していない場合には、ステップ２４に進む。そして、ステップ２４およびステップ２３において、実酸化剤ガス圧力が目標運転圧力に到達するように、コンプレッサ１２の回転数が補正される。
【００５９】
一方、ステップ３０では、コンプレッサ１２の運転が停止される。そして、ステップ３１（Ｓ３１）において、燃料電池スタック１から実際に取り出される出力（実出力）が、要求出力よりも低下したか否かが判断される。ステップ３０において肯定判定された場合、すなわち、実出力が要求出力よりも低下した場合には、ステップ３２（Ｓ３２）に進む。一方、ステップ３０において否定判定された場合、すなわち、実出力が要求出力よりも低下していない場合には、所定時間後に再度ステップ３０の判断を行う。
【００６０】
ステップ３２において、Ｓ２０と同様、コンプレッサ１２に対して回転数指令を出力する。そして、ステップ２６において排出側シャット弁１６が全閉され、これに続くステップ２５において通常制御へと移行する。
【００６１】
このように本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ移行制御において、供給側シャット弁１５によって酸化剤ガス供給流路１０ａを遮断した状態で、コンプレッサ１２によって酸化剤ガスを供給し、コンプレッサ１２から供給側シャット弁１５までの間を加圧する加圧処理を行う。かかる構成によれば、供給側シャット弁１５の上流側が予め加圧された状態であれば、酸化剤ガスがリッチな状態となり、かつ、供給側シャット弁１５を開放することで、コンプレッサ１２を駆動させてなくても酸化剤極に酸化剤ガスが流入し、通常運転への復帰にかかる時間を短くすることができる。
【００６２】
また、本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ運転中において許容できるコンプレッサ１２の上限回転数を特定し、加圧処理において、コンプレッサの実回転数が、特定された上限回転数以下となるように、コンプレッサを制御する。かかる構成によれば、アイドルストップ中の音振性能の向上を図ることができる。
【００６３】
また、本実施形態において、制御部３０は、アイドルストップ復帰制御において、供給側シャット弁１５による酸化剤ガス供給流路１０ａの遮断を解除した際に、実酸化剤ガス圧力が、要求出力に応じた酸化剤ガスの目標運転圧力に到達している場合には、コンプレッサ１２による酸化剤ガスの供給を行わない。かかる構成によれば、アイドルストップ復帰制御時に、コンプレッサ１２を駆動させないので、音振性能の向上を図ることができる。なお、このような制御手法は、第２の実施形態に示すアイドルストップ制御において実行してもよい。
【００６４】
さらに、本実施形態において、制御部３０は、出力取出部２によって燃料電池スタック１から要求出力を取り出した際に、燃料電池スタック１から取り出される実出力が要求出力よりも低下する場合には、コンプレッサ１２によって酸化剤ガスの供給を開始する。かかる構成によれば、出力が低下してからコンプレッサ１２を駆動させるので、音振性能の向上を図ることができる。なお、このような制御手法は、第２の実施形態に示すアイドルストップ制御において実行してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】第１の実施形態にかかるアイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャート
【図３】第２の実施形態にかかるアイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャート
【図４】第３の実施形態にかかるアイドルストップ制御の処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
【００６６】
１      燃料電池スタック
２      出力取出部
１０    酸化剤ガス系
１０ａ  酸化剤ガス供給流路
１０ｂ  酸化剤ガス排出流路
１１    空気供給装置
１２    コンプレッサ
１３    加湿装置
１４    酸化剤ガス調圧弁
１５    供給側シャット弁
１６    排出側シャット弁
２０    燃料ガス系
２０ａ  燃料ガス供給流路
２０ｂ  燃料ガス循環流路
２１    燃料タンク
２２    燃料ガス調圧弁
２３    燃料ガス循環ポンプ
３０    制御部
３１    酸化剤ガス圧力検出部
３２    燃料ガス圧力検出部
３３    電圧検出部
【図１】
2008047390.tif 000003
【図２】
2008047390.tif 000004
【図３】
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【図４】
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