(57)【要約】【課題】燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池内に残留した燃料ガスを不活性ガスでパージすることなく有効に利用する。【解決手段】燃料電池システムを停止する際に、燃料電池１内部に残留した燃料ガスと酸化剤ガスによって発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１６によって２次バッテリ１７に充電する。燃料電池１の電圧が２次バッテリ１７の電圧を超えている間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は降圧モードで動作し、燃料電池１の電圧が２次バッテリ１７の電圧以下になるとＤＣ／ＤＣコンバータ１６は昇圧モードで動作する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と充放電可能な２次バッテリとの双方から駆動モータへ電力供給可能な燃料電池車両の制御装置であって、
前記燃料電池と前記２次バッテリとはＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池内部に残留した燃料ガスと酸化剤ガスによって発電した電力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記２次バッテリに充電することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記２次バッテリに充電する際に、燃料電池の電圧が２次バッテリの電圧を超えている場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータは降圧動作モードで動作し、燃料電池の電圧が２次バッテリの電圧以下になるとＤＣ／ＤＣコンバータは昇圧動作モードで動作することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池の総電圧値が第１の所定値以下になったときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによる取り出し電流を減少、または前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池の各セルの電圧値又は所定数直列接続された各セル群の電圧値の最低値が第２の所定値以下になったときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによる取り出し電流を減少、または前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池の電極間には、放電抵抗を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項６】
前記放電抵抗は、前記燃料電池システムの停止後に導通するリレーを介して前記燃料電池の電極に接続されることを特徴とする請求項５の燃料電池車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に係り、特に、燃料電池の運転停止時の残留燃料ガスを有効利用できる燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。このような燃料電池を用いた発電は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用するなど燃料電池車両としても近年注目されている。
【０００３】
また燃料電池システムを車両に適用する場合、燃料電池と並列に２次バッテリを搭載する構成が提案されている。これは、駆動力に応じて燃料電池システムを可変運転する際に、燃料電池システムの応答性の悪さをカバーするため、起動時に燃料電池システムの補機電力を供給するため、車両減速時の回生エネルギーで２次バッテリを充電して、加速時等のアシストにそのエネルギーを利用することにより燃料電池車両の効率を向上させるためなどであり、燃料電池から供給される発電電力と２次バッテリの充放電電力とが駆動モータへ供給されるいわゆるハイブリッド燃料電池車両である。
【０００４】
しかしながら、上記利点を持つ燃料電池で有るが、燃料電池システムの停止時に水素ガスおよび酸化剤ガスとしての空気の供給を停止しても、燃料電池本体内部や燃料電池周辺の配管内に残留する水素および酸素により、燃料電池の各セルの水素極と酸素極には１〔Ｖ〕近い電位差が生じてしまう。
【０００５】
この電位差により、電極触媒の劣化やカーボンセパレータなどの燃料電池構成部品の腐食等が発生するという問題点があった。
【０００６】
この問題点を解決する従来技術として、例えば特許文献１記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池システムの停止時に、水素燃焼器で生成した不活性ガスを用いて燃料電池本体内部および燃料電池周辺の配管内部に残留するガスをパージして、水素極と酸素極の電位差を低下させることにより、上記問題点を解決しようとするものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−５０３７２号公報（第３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池車両の停止時の制御方法では、燃料電池システム内の残留ガスを不活性ガスによってパージするという構成になっていたため、燃料である水素を無駄に排出してしまうという問題点があった。
【０００９】
さらに、不活性ガスを生成するために水素を燃焼していたので、発電に寄与しない水素消費が生じ、燃費性能が低下するという問題点があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と充放電可能な２次バッテリとの双方から駆動モータへ電力供給可能な燃料電池車両の制御装置であって、前記燃料電池と前記２次バッテリとはＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池内部に残留した燃料ガスと酸化剤ガスによって発電した電力を前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記２次バッテリに充電することを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池内の残留ガスを無用に排出せずに、その残留ガスを利用して発電した電力を２次バッテリへ充電する構成としたため、残留ガスの有効利用が可能となり、燃料電池自体の劣化を防止することはもちろん、燃料電池車両の燃費性能向上、すなわち航続距離向上が図れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の第１実施形態について、図１および図２を参照して詳細に説明する。図１は第１実施形態における燃料電池システムを示す構成図、図２は第１の実施形態における制御装置の制御フローチャートである。
【００１３】
まず、図１について説明する。燃料電池１は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極１ａ、及び酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極１ｂを備えている。
【００１４】
空気は、大気からコンプレッサ２で加圧され、空気加湿器３で図示しない純水で加湿された後、空気極１ｂへ供給される。燃料電池１で未使用の空気は、空気調圧弁６から大気へ排出される。燃料電池１の空気極１ｂへ供給される空気の流量と圧力は、コンプレッサ２の回転数および空気調圧弁６の開度により制御される。コンプレッサ２はモータ５により駆動され、燃料電池システム制御装置４はモータ回転センサ７を参照して、モータ５が目標の回転数となるようにモータ５を制御する。また、燃料電池システム制御装置４は空気圧力センサ８を参照し、燃料電池１の空気極１ｂへ供給される空気の圧力が目標の圧力となるように空気調圧弁６を制御する。
【００１５】
一方水素は、高圧水素ボンベ９から水素調圧弁１０、エゼクタ１１を経由して、水素加湿器１２で図示しない純水で加湿された後、燃料電池１の水素極１ａへ供給される。燃料電池１で未使用の水素は、エゼクタ１１によって燃料電池１の水素極１ａへ循環される。燃料電池１の水素極１ａへ供給される水素の圧力は、水素調圧弁１０の開度で制御される。燃料電池システム制御装置４は水素圧力センサ１３を参照し、燃料電池１の水素極１ａへ供給する水素の圧力が目標の圧力となるように水素調圧弁１０を制御する。水素パージ弁１４は、燃料電池１の状態に応じて開閉することにより、燃料電池１内部の水つまりや、空気極１ｂから水素極１ａへの空気のリークによる出力低下および効率低下を防止するために使用するものである。
【００１６】
セル電圧センサ１５は、燃料電池１内に直列に接続されたセルの各電極間の電圧を測定するものであり、燃料電池システム制御装置４に読み込まれる。燃料電池システム制御装置４は、セル電圧低下を検知して各種制御を行う。また、２次バッテリ１７がＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介して燃料電池１に接続され、図示しない電気負荷が２次バッテリ１７とＤＣ／ＤＣコンバータ１６間、あるいは、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ１６間に接続される。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧動作モードと、入力電圧を降圧して出力する降圧動作モードとを備えている。そして、燃料電池１の電圧が２次バッテリ１７の電圧より高い場合には、降圧動作モードで燃料電池１の発電電力を２次バッテリ１７へ充電し、燃料電池１の電圧が２次バッテリ１７の電圧以下の場合には、昇圧動作モードで燃料電池１の発電電力を２次バッテリ１７へ充電することができるようになっている。
【００１８】
燃料電池システム制御装置４は、２次バッテリ１７の電圧を電圧センサ１８から読み込むことができる。電気負荷とは、燃料電池車両を駆動する駆動モータ等であり、燃料電池システム制御装置４によって制御される。燃料電池システム制御装置４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を制御することにより、燃料電池１および２次バッテリ１７から電気負荷に供給する電力の配分を可変することができる。
【００１９】
次に、燃料電池システム制御装置４における燃料電池システム停止時の処理について図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２０】
まず、ステップＳ１では、燃料電池システムを停止するために、コンプレッサ２を停止することにより燃料電池１への空気供給を停止するとともに、空気調圧弁６をオープンすることにより燃料電池１内の空気圧力を大気圧に下げる。また、水素調圧弁１０をクローズすることにより燃料電池１への水素供給を停止するとともに、水素パージ弁１４をオープンすることにより燃料電池１内の水素圧力を大気圧に下げる。
【００２１】
ステップＳ２では、セル電圧センサ１５からの各セル電圧の合計である燃料電池総電圧と電圧センサから読み込む２次バッテリ１７の総電圧とを比較し、燃料電池総電圧が高ければステップＳ３へ、２次バッテリ総電圧が高ければステップＳ４へ処理を移行する。
【００２２】
ステップＳ３では、燃料電池総電圧の方が高いので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を燃料電池１から２次バッテリ１７への降圧動作モードに制御することにより、燃料電池１内に残留する水素および空気により燃料電池を発電させ、その発電電力を２次バッテリ１７へ充電させる。
【００２３】
ステップＳ４では、２次バッテリ総電圧の方が高いので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を燃料電池１から２次バッテリ１７への昇圧動作モードに制御することにより、燃料電池１内に残留する水素および空気により発電させ、その発電電力を２次バッテリ１７へ充電させる。
【００２４】
ステップＳ５では、ステップＳ３あるいはステップＳ４での残留ガスによる発電処理の終了判定を行う。ここでは、燃料電池１の総電圧が所定電圧より低下したかどうかを判定する。この所定電圧（第１の所定値）は発電を継続することにより燃料電池１が劣化しない最低保証値の電圧であり、燃料電池の特性により決定される。
【００２５】
また、燃料電池１を構成する各セル間でばらつきが顕著なる場合においては、総電圧ではなく各セル電圧又は所定数直列接続された各セル群の電圧の最低値が第２の所定値以下になったか否かで判定することが好ましい。
【００２６】
この第２の所定値は、発電を継続することにより、セルまたはセル群が劣化しない最低保証値の電圧であり、第１の所定値と同様に燃料電池の特性により決定される。
【００２７】
図３は、このように燃料電池システム制御装置４で制御した結果の燃料電池１と２次バッテリ１７の電圧変化の様子を表したものである。停止時の処理の開始時は、燃料電池１の総電圧が２次バッテリ１７の総電圧より高くなっているが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を降圧動作させて、燃料電池の電力を２次バッテリへ充電することにより燃料電池１内の残留ガスが消費され、燃料電池の総電圧が低下する。
【００２８】
燃料電池１の総電圧が２次バッテリ１７の総電圧より低下すると（図中Ａ点）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を昇圧動作に切り換えることにより、燃料電池１の発電を継続させ、引き続き残留ガスを消費しながら２次バッテリへの充電を継続する。さらに燃料電池１の総電圧が低下し、停止処理終了電圧に達すると（図中Ｂ点）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を停止し、停止処理を終了する。
【００２９】
このように制御することにより、燃料電池システム停止時に、燃料電池１内の残留ガスを発電により消費することができるので、燃料電池１の水素極と酸素極の電位差を低下させることが可能となり、燃料電池１の劣化を防止することができる。しかも、発電電力を２次バッテリ１７へ充電することができるので、燃料電池車両の航続距離向上が図れる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
本発明の第２の実施形態は、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法を改善することにより、燃料電池内の残留ガスによる発電を効率的に行うものである。以下、図４、５を用いて説明する。
【００３１】
図４は、燃料電池１の残留ガス濃度による電流−電圧特性を示すものである。ここで、残留ガス濃度大とは、通常運転時と同様、燃料電池１の水素極と空気極に、それぞれ水素、空気が供給されつづけている状態であり、残留ガス濃度小とは、燃料電池１の水素極と空気極へのガス供給が停止している中で発電を継続し、水素極で水素が、空気極で酸素がそれぞれ消費されていく状態である。
【００３２】
つまり、本発明の第１の実施形態で説明した停止処理中には、残留ガス濃度大から残留ガス濃度小の状態に変化することになる。この場合、図４に示すように、残留ガス濃度小の状態で大きな発電を行うと、燃料電池１の総電圧、すなわち各セル電圧が低下してしまい、発電を継続することができなくなることを意味する。
【００３３】
このことを考慮した燃料電池システム制御装置４の停止処理フローを図５に示す。なお、このフローは、本発明の第１の実施形態における燃料電池システム制御装置４の停止処理フローのうち、ステップＳ３のＤＣ／ＤＣコンバータ１６の降圧動作の処理内容を示したものである。ステップＳ４のＤＣ／ＤＣコンバータ１６の昇圧動作の処理内容も基本的に同じものとなるため、ここでは説明を省略する。
【００３４】
ステップＳ３１では、燃料電池１の総電圧を読み込む。総電圧は、セル電圧センサ１５の検出結果から総和演算により求めてもよいし、別に総電圧を測定するための電圧センサを接続してもよい。ステップＳ３２では、燃料電池１の総電圧と所定電圧を比較し、総電圧が高ければステップＳ３３へ、総電圧が低ければステップＳ３４へそれぞれ移行する。
【００３５】
ここで、所定電圧とは、図４におけるＣ点、Ｄ点、Ｅ点を結ぶ電圧であり、燃料電池１が劣化しない最低電圧など燃料電池の特性により決定される。また、燃料電池１を構成する各セル間でばらつきがある場合、総電圧ではなく各セル電圧または所定数直列接続された各セル群の電圧の最低値で判定することが好ましい。
【００３６】
ステップＳ３３では、発電電流が増加するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１６を制御する。ステップＳ３４では、発電電流が減少するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１６を制御する。ステップＳ３３およびステップＳ３４における電流増加幅、減少幅は、制御周期やＤＣ／ＤＣコンバータ１６の応答性などを考慮して決定される。ステップＳ３３、ステップＳ３４の処理を終了すると、ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作処理を終了する。
【００３７】
ここで説明したようにＤＣ／ＤＣコンバータ１６を制御することにより、残留ガスによる発電中に、燃料電池１の総電圧が所定値より低下することを防止することができるため、燃料電池１が劣化することなく発電状態を継続することが可能となり、残留ガスを有効に発電によって処理できるという効果がある。
【００３８】
また、所定電圧を燃料電池１の特性で決定することとしたが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の特性や２次バッテリ１７の電圧状態を考慮して決定することも可能である。例えば、所定電圧をあまり低く設定しすぎると、２次バッテリ１７との電圧差が大きくなり、昇圧率が大きくなるためＤＣ／ＤＣコンバータ１６の効率が低下することが考えられる。
【００３９】
また、昇圧率が大きすぎるとＤＣ／ＤＣコンバータ１６の入力電流が大きくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の定格を超えることも起こりえる。したがって、燃料電池１の特性だけでなく、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率等を考慮することにより、さらに残留ガスによる発電を効率よく行うことができる。
【００４０】
〔第３実施形態〕
図６は本発明の第３の実施形態における燃料電池システムを示す構成図であり、図１に放電抵抗１９を付加したものである。放電抵抗１９は、燃料電池１の正極と負極の間に設置される。第１の実施形態および第２の実施形態では、燃料電池１の総電圧が所定値を下回るまで残留ガスによる発電を行い、その電力を２次バッテリ１７に充電することにより残留ガスを消費し、燃料電池１の電圧を低下させるというものであった。第３の実施形態では、さらに以下の点で改良したものである。
【００４１】
まず第１に、残留ガスを消費して、燃料電池１の電圧を低下させた場合、燃料電池１内の電解質膜付近の残留ガスのみが消費されている恐れがある。その場合、停止処理を終了した後に、燃料電池システム内の残留ガスの拡散により、電解質膜付近の残留ガス濃度が再び上昇することがあり、したがって、燃料電池１の電圧も再上昇することが懸念される。
【００４２】
本実施形態では放電抵抗１９を設置することにより、放電抵抗を流れる電流で残留ガスを消費することができるため、燃料電池１の劣化を防止することができる。放電抵抗は、拡散による残留ガスを消費するだけの容量があれば良く、したがって、定常出力時の負荷に比べて比較的抵抗値が高く電力容量の小さい小型の抵抗を使用することができる。また、通常動作時のリーク電流も小さくて済む。
【００４３】
第２に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６や２次バッテリ１７の故障が発生した状態で燃料電池システムを停止しなければならない場合、残留ガスを消費するための停止処理を行うことができない。したがって、燃料電池１内の残留ガスのため、燃料電池１の電圧が高いまま放置せざるを得なく、燃料電池１の劣化が起きてしまう。放電抵抗１９を設置することにより、上記故障が生じた場合にも放電抵抗を流れる電流で残留ガスを消費することができるため、燃料電池１の劣化を防止することができる。
【００４４】
また、図６では、放電抵抗１９を直接、燃料電池１の正極と負極の間に設置したが、もちろん、リレーを介して接続することも可能である。その場合、停止時にリレーへの電源供給が停止した際にオンする、いわゆるノーマルクローズのリレーを選択するべきである。燃料電池システム制御装置４は、通常発電時にのみ本リレーをオープンに制御することにより、通常動作時に放電抵抗への通電を抑制し効率低下を防止することができる。
【００４５】
加えて、通常動作時の効率低下を考慮しないでよいため、リレーを用いない場合に比べて比較的抵抗値が低く電力容量の大きい放電抵抗を設置することが可能となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６や２次バッテリ１７の故障時にも、速やかに燃料電池１の電圧を低下させることができ、一層、燃料電池１の劣化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池システム制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態における燃料電池システム制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第２の実施形態における燃料電池の電流−電圧特性を示す特性図である。
【図５】第２の実施形態における燃料電池システム制御装置の一部の動作を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１：燃料電池
１ａ：水素極
１ｂ：空気極
２：コンプレッサ
３：空気加湿器
４：燃料電池システム制御装置
５：モータ
６：空気調圧弁
７：モータ回転センサ
８：空気圧力センサ
９：高圧水素ボンベ
１０：水素調圧弁
１１：エゼクタ
１２：水素加湿器
１３：水素圧力センサ
１４：水素パージ弁
１５：セル電圧センサ
１６：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７：２次バッテリ
１８：電圧センサ
１９：放電抵抗
【図１】
2004253220.tif 000003
【図２】
2004253220.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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