(57)【要約】【課題】  間欠運転時の停止状態に生じる凍結を確実に回避することを目的とする。【解決手段】  燃料電池システムの間欠運転を制御する制御装置であって、燃料電池システムを構成する部品のうち水分が存在する所定部品の温度に少なくとも基づいて間欠運転時の発電動作の停止可否を決定することを特徴とする。前記所定部品として、燃料ガス又は酸化ガスの流通経路に配された弁、通路又は加湿器を選択することができる。前記所定部品の温度は、前記所定部品に対応させて設けた温度センサによって直接的に、又は、当該燃料電池システムの出力又は外気温の少なくともいずれかに基づいて間接的に検出する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの間欠運転を制御する制御装置であって、
燃料電池システムを構成する部品のうち水分が存在する所定部品の温度に少なくとも基づいて間欠運転時の発電動作の停止可否を決定することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記所定部品は、燃料ガス又は酸化ガスの流通経路に配された弁、通路又は加湿器であることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記所定部品の温度を、前記所定部品に対応させて設けた温度センサによって直接的に検出することを特徴とする請求項１又は２記載の制御装置。
【請求項４】
前記所定部品の温度を、当該燃料電池システムの出力又は外気温の少なくともいずれかに基づいて間接的に検出することを特徴とする請求項１又は２記載の制御装置。
【請求項５】
前記停止可否の決定において否と決定した場合、前記検出する温度が閾値を超えるように当該燃料電池システムの出力を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
間欠運転を行う燃料電池システムであって、
当該燃料電池システムを構成する部品のうち水分が存在する所定部品の凍結リスクを判定する手段と、
凍結リスクが高いと判定された場合に間欠運転を禁止する制御手段と、を備えることを特徴と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の制御装置に関し、特に、燃料電池システムの間欠運転を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、例えば寒冷地の屋外等の低温環境下で停止状態が長く続くと、システム内の水分が凍結してしまうおそれがある。このような凍結が生じると故障の原因となることから、従来より燃料電池システムの凍結を防止する種々の方法が開発・提案されている。例えば特許文献１には、燃料電池を停止する際に、燃料電池の温度を上昇させてから停止するよう制御することで、停止状態の燃料電池が凍結を起こすまでの時間を延ばし、再起動時に燃料電池の温度が凍結を起こす温度まで冷却されないようにして、凍結を防止する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１５１６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電気自動車の駆動用電源として燃料電池システムを用いる場合、通常、燃料電池に加えて二次電池（又はキャパシタ）を備える構成を取る。この場合、例えば電気自動車の制動時に電動機で回生を行って電力を二次電池に蓄えておき、通常走行時に、二次電池から供給する電力で足りる場合には二次電池単独で、足りない場合には二次電池と燃料電池の両方で、電動機に電力を供給する。すなわち、燃料電池システムは、電気自動車が必要とする電力や二次電池の充電状態等に応じて、発電状態と停止状態とを切り替えて動作する間欠運転を行う。
【０００４】
このように燃料電池システムが間欠運転を行う場合においても、上述した凍結の問題は生じる。すなわち、間欠運転している際に低温環境下において停止状態が長く続くと、上述したようにシステム内の水分が凍結してしまうおそれがある。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載される凍結防止方法では、いったん燃料電池システムを停止した後は何ら冷却の進行を防ぐ手立てが講じられていないため、該方法によっては間欠運転時の停止状態に生じる凍結を確実に回避することはできない。すなわち、特許文献１に記載の方法では、燃料電池が凍結を起こすまでの時間を延ばすことができるとしても、停止状態が続く限り冷却は進行するのであるから、間欠運転時の停止状態が長引いた場合には、いずれは凍結してしまうことになる。特に、次回起動されるまでの予想時間といった必ずしも確度の高くない値に基づいて停止時の温度を決める構成を取る場合、凍結が生じる可能性はより高まると考えられる。
【０００６】
そこで本発明は、間欠運転時の停止状態に生じる凍結を確実に回避することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の制御装置は、燃料電池システムの間欠運転を制御する制御装置であって、燃料電池システムを構成する部品のうち水分が存在する所定部品の温度に少なくとも基づいて間欠運転時の発電動作の停止可否を決定することを特徴とする。前記所定部品としては、燃料ガス又は酸化ガスの流通経路に配された弁、通路又は加湿器を考えることができる。かかる構成によれば、所定部品の温度が低く水分が凍結するリスクが高い場合には間欠運転時においても発電動作が停止されず、従って水分が凍結することを確実に回避することができる。
【０００８】
好適には、前記所定部品の温度を、前記所定部品に対応させて設けた温度センサによって直接的に検出するか、又は、当該燃料電池システムの出力又は外気温の少なくともいずれかに基づいて間接的に検出することが望ましい。
【０００９】
また好適には、前記停止可否の決定において否と決定した場合、前記検出する温度が閾値を超えるように当該燃料電池システムの出力を制御することが望ましい。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、間欠運転を行う燃料電池システムであって、当該燃料電池システムを構成する部品のうち水分が存在する所定部品の凍結リスクを判定する手段と、凍結リスクが高いと判定された場合に間欠運転を禁止する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、間欠運転時の停止状態に生じる凍結を確実に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１３】
図２は燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を示している。
【００１４】
燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス供給装置４２、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、及び制御部８０を備えて構成されている。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。制御部８０はアクセルセンサ８４によって検出されたアクセル開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように燃料ガス供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整する。ＰＣＵ８２はインバータとＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力制御装置であり、燃料電池２０が発電した直流電力を交流電力に変換して車両走行用のモータ８３に供給する他、余剰電力を二次電池８１に蓄電する。二次電池８１はブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両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としての役割を担う。
【００１５】
図１は燃料電池システム１０の配管系統を中心とするシステム構成を示している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための系統と、酸化ガスを供給するための系統と、燃料電池２０を冷却するための系統とを備えて構成されている。
【００１６】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５、及びカソードガスチャンネル２６から成る単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
【００１７】
燃料電池システム１０の冷却系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させるポンプ３５、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ３６等が設けられている。
【００１８】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に還流させるための循環流路５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
【００１９】
燃料ガス流路４１には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池の燃料ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁４６等が設置されている。燃料ガス供給装置４１は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。
【００２０】
循環流路５１には、燃料オフガスを排出する遮断弁５２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器５３、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁５４、モータによって駆動される循環ポンプ（加圧手段）５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流することを防止する逆流阻止弁５６等が設置されている。循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づき、アノードガスチャンネル２５を通過する際に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２１】
循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐配管されている。排気流路６１には排気弁（排気手段）６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁６３を開閉することで、燃料電池内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止する。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
【００２２】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだエアに含まれている粉塵等を除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５等から構成され、圧縮エアを酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置されている。また、酸化ガス供給装置７３の下流に配された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器やマフラー等を経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。
【００２３】
制御部８０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。
【００２４】
例えば、制御部８０は、各流路に設置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態（例えば、電力負荷）に応じて、各モータを駆動して循環ポンプ５５とエアコンプレッサ７４の回転数を調整し、更に、各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整等を行う。
【００２５】
また例えば、制御部８０は、二次電池８１によって電気自動車が必要とする電力を賄える場合には二次電池８１単独で、足りない場合には二次電池８１と燃料電池システム１０の両方で電気自動車に電力を供給するように制御する。すなわち、制御部８０は、電気自動車が必要とする電力や二次電池８１の充電状態、燃料電池２０の水温等に応じて、燃料電池システム１０の発電状態と停止状態とを切り替えて、間欠運転を行うように制御する。
【００２６】
間欠運転時における制御部８０の動作は、原則として、従来の燃料電池電気自動車における間欠運転時の動作と同様である。例えば、車両停車などの燃料電池２０の発電効率（燃費）が低下する低負荷状態においては、燃料電池２０の運転を停止して二次電池８１から電力供給を行う。一方、二次電池８１の蓄電量が低下したり負荷が増大すると、燃料電池２０を発電させて負荷への電力供給、二次電池８１の充電を行う。
【００２７】
ただし、本実施形態では、間欠運転時において発電状態から停止状態へ移行する際に、燃料電池システム１０内の部品のうち水分が存在する所定部品の温度に少なくとも基づいて発電動作の停止可否を決定し、停止可の場合にのみ停止状態に移行するように制御部８０の動作を構成している点で、従来と異なっている。
【００２８】
以下、図３、図４に示すフローチャートを参照して、間欠運転時の発電動作の停止判断に関する制御部８０の動作例について説明する。
【００２９】
（第１実施例：図３）
制御部８０は、間欠運転時において発電動作中である場合、従来と同様の発電動作の停止条件、すなわち、電気自動車が必要とする電力や二次電池８１の充電状態、燃料電池２０の水温等に基づく停止条件（第１停止条件）が成立しているかどうかを判断し（Ｓ１００）、成立していない場合には停止判断処理を終了する。
【００３０】
一方、第１停止条件が成立している場合、制御部８０は、燃料電池２０に対して停止要求がなされたと判断し、燃料電池システム１０内の部品のうち水分が存在する所定部品の温度を、該所定部品に対応させて設けた温度センサにより直接的に検出する（Ｓ１０１）。
【００３１】
ここで、上記水分が存在する所定部品として、燃料ガス又は酸化ガスの流通経路に配された弁、通路又は加湿器などを考えることができる。例えば、燃料ガス流路４１の各通路、断弁４３、レギュレータ４５、遮断弁４６など、循環流路５１の各通路、遮断弁５２、排水弁５４、逆流阻止弁５６など、排気流路６１の各通路、排気弁６３など、酸化ガス流路７１の各通路、加湿器７６、燃料電池の酸化ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁など、カソードオフガス流路７２の各通路、圧力調整弁７７などである。これらの各部品のうち外表面に近い位置（例えば車両の下面など）に配される部品は、外気によって冷却されて水分が凍結しやすいことから、特に前記所定部品として選択することが望ましい。なお、図２では一部の温度センサのみ図示している。
【００３２】
次に、制御部８０は、各所定部品について検出した温度が所定の閾値ｍを超えているかどうかを判断する（第２停止条件）（Ｓ１０２）。
【００３３】
そして、検出した温度が全て閾値ｍを越えている場合には、発電動作の停止が可能であると決定し、従来と同様に、停止状態への移行処理（例えば、燃料ガス供給装置４２、酸化ガス供給装置７３等を停止するとともに、ＰＣＵ８２を動作させて二次電池８１からモータ８３等へ電力を供給するなど）を実行する（Ｓ１０３）。
【００３４】
なお、制御部８０は、間欠運転時において停止状態にある場合、従来と同様に、電気自動車が必要とする電力や二次電池８１の充電状態、燃料電池２０の水温等に基づいて発電状態への移行条件が成立しているかどうかを判断し、成立している場合には発電状態への移行処理を実行する。
【００３５】
一方、制御部８０は、温度センサにより直接的に検出した温度のいずれかが閾値ｍ以下となっている場合には、該閾値ｍ以下の所定部品について凍結リスクが高いことから発電動作の停止が不可であると決定し、第１停止条件の成立に関わらずに発電状態を維持して（Ｓ１０４）、停止状態への移行処理を行うことなく停止判断処理を終了する。
【００３６】
なお、このとき、制御手段８０は、従来と同様に第１停止条件に基づいて発電動作を停止できるように（すなわち、第２停止条件をよって間欠動作の実施が制約されないように）、燃料電池２０の出力を増加させ、それに伴う発熱（排熱）によって所定部品の各温度が所定の閾値を越えるように制御してもよい。
【００３７】
第１実施例の構成によれば、燃料電池システム１０内の部品のうち水分が存在する所定部品の温度を検出し、該検出した温度に少なくとも基づいて間欠運転時の発電動作の停止の可否を決定しているため、所定部品の温度が低く水分が凍結するリスクが高い場合には間欠運転時においても発電動作が停止されず、従って水分が凍結することを確実に回避することができる。
【００３８】
（第２実施例：図４）
制御部８０は、間欠運転時において発電動作中である場合、従来と同様の発電動作の停止条件、すなわち、電気自動車が必要とする電力や二次電池８１の充電状態、燃料電池２０の水温等に基づく第１停止条件が成立しているかどうかを判断する（Ｓ２００）。
【００３９】
次に、制御部８０は、第１停止条件が成立している場合、燃料電池２０に対して停止要求がなされたと判断し、燃料電池システム１０内の部品のうち水分が存在する所定部品の温度Ｔを検出する（Ｓ２０１）。
【００４０】
ここで、第２実施例では、上記水分が存在する所定部品は第１実施例と同様の部品を想定するが、それらの所定部品について温度センサによって直接的に温度を検出する代わりに、外気温や車速などによって間接的に所定部品の温度を検出するように処理を構成する。
【００４１】
間接的な温度検出方法として、例えば、電気自動車（又は燃料電池システム１０）が備える外気温センサから出力される外気温ＴOUTと、電気自動車が備える車速センサから出力される車速Ｖと、燃料電池２０の出力（電力）Ｐとの３つのパラメータから、以下の式（１）に従って検出することが考えられる。
【００４２】
部品温度Ｔ＝外気温ＴOUT−ａ×車速Ｖ−ｂ×出力Ｐ                      （１）
なお、上記式においてａ、ｂは、電気自動車や燃料電池システム１０の特性に基づいて定められる係数（車両適合定数）である。
【００４３】
次に、制御部８０は、上記式（１）に基づいて間接的に検出した部品温度Ｔが所定の閾値ｍを超えているかどうかを判断する（第２停止条件）（Ｓ２０２）。
【００４４】
そして、部品温度Ｔが閾値ｍを越えている場合には、発電動作の停止が可能であると決定し、従来と同様に停止状態への移行処理を実行する（Ｓ２０３）。
【００４５】
一方、制御部８０は、Ｓ２０２において部品温度Ｔが閾値ｍ以下となっている場合には、所定部品についての凍結リスクが高いため発電動作の停止が不可であると決定し、第１停止条件の成立に関わらずに発電状態を維持して（Ｓ２０４）、停止状態への移行処理を行うことなく停止判断処理を終了する。
【００４６】
なお、このとき、制御手段８０は、従来と同様に第１停止条件に基づいて発電動作を停止できるように（すなわち、第２停止条件によって間欠動作の実施が制約されないように）、燃料電池２０の出力を増加させ、それに伴う発熱（排熱）によって部品温度Ｔが所定の閾値ｍを越えるように制御してもよい。この場合、例えば、以下の式（２）を満たすように、燃料電池２０の出力Ｐを制御することが考えられる。
【００４７】
出力Ｐ  ＞  （部品温度Ｔ−外気温ＴOUT＋ａ×車速Ｖ）／ｂ              （２）
第２実施例の構成によれば、第１実施例と同様に、燃料電池システム１０内の部品のうち水分が存在する所定部品の温度を検出し、該検出した温度に少なくとも基づいて間欠運転時の発電動作の停止可否を決定しているため、所定部品の温度が低く水分が凍結するリスクが高い場合には間欠運転時においても発電動作が停止されず、従って水分が凍結することを確実に回避することができる。また、第１実施例に比べて、各所定部品に対応させて温度センサを設ける必要はない。
【００４８】
（変形例）
本発明は上記実施例に限定されることなく、例えば第１実施例及び第２実施例の構成を組み合わせるなど、種々に変形して適用することが可能である。
【００４９】
また例えば、上記実施例では、第２停止条件が成立しない場合（部品温度が閾値ｍ以下の場合）に間欠運転時の発電動作の停止が不可であるとしているが、例えば第２停止条件が成立しない場合に、所定部品についての凍結リスクが高いと判定して間欠運転自体を禁止するように制御処理（制御部８０の動作）を構成してもよい。
【００５０】
また例えば、上記実施例では、まず第１停止条件について判断し、次に第２停止条件について判断する構成としているが、本発明は必ずしもこのような構成に限られない。例えば先に第２停止条件を判断し、第２停止条件が成立する場合に第１停止条件を判断する構成としてもよい。
【００５１】
また例えば、第２実施例では、第２停止条件として部品温度Ｔに基づく１種類の条件を説明したが、例えば複数種類の条件により第２停止条件を構成してもよく、またそれら複数種類の条件をシーケンシャルに判断する構成としてもよい。例えば、第１停止条件が成立している場合、まず１つ目の第２停止条件として外気温ＴOUTが所定閾値（例えば５℃）を越えているかどうかを判断し、所定閾値を越えている場合には発電動作の停止が可能と決定する。一方、ＴOUTが所定閾値以下の場合には、上記式（１）に基づいて部品温度Ｔを求め、２つ目の第２停止条件としてＳ１０２（及びそれ以降の処理）を実行するように構成する。
【００５２】
更に、これらの態様を組み合わせると、図５に示すような凍結防止処理の処理フローを考えることもできる。まず外気温ＴOUTを検出する（Ｓ３００）。次に、該外気温ＴOUTが所定閾値（例えば５℃）を越えているかどうかを判断し（Ｓ３０１）、所定閾値を越えている場合には、通常の間欠運転モード（第１停止条件に基づいて発電動作の停止可否を判断するモード）を設定する（Ｓ３０２）。一方、外気温ＴOUTが所定閾値以下の場合には、直接的に又は間接的に所定部品の部品温度を求め（Ｓ３０３）、該部品温度が所定閾値ｍを越えているかどうかを判断する（Ｓ３０４）。そして、部品温度が閾値ｍを超えている場合には、通常の間欠運転モードを設定し（Ｓ３０２）、閾値ｍ以下の場合には、所定部品についての凍結リスクが高いと判定して間欠運転を禁止するモード（発電動作の停止を不可とするモード）を設定する（Ｓ３０５）。かかる一連の処理を所定のタイミングで繰り返し実行することで、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図３】第１実施例に係る、間欠運転時の発電動作の停止判断処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】第２実施例に係る、間欠運転時の発電動作の停止判断処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】凍結防止処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３１  冷却路、３７  第２冷却路、４１  燃料ガス流路、５１  燃料オフガス流路、５３  気液分離器、５５  循環ポンプ、６１  排気流路、６２  希釈器、７１  酸化ガス流路、７２  カソードオフガス流路、７４  エアフィルタ、７５  エアコンプレッサ、７６  加湿器、７８  熱交換器、８０  制御部、９０  エアコンディショナーシステム
【図１】
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【図２】
2005267961.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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