(57)【要約】【課題】燃料電池を停止する際に掃気処理を実行する燃料電池システムを対象とし、燃料電池の過度の乾燥等を抑制しつつ、燃費の悪化をも抑制することができる、燃料電池の発電動作の制御技術を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池を停止する際に掃気処理を実行する燃料電池システムの発電動作を制御する制御装置であって、一定期間内の起動回数又は停止回数、又は、一定期間内の掃気処理の実行回数に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の可否を決定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を停止する際に掃気処理を実行する燃料電池システムの発電動作を制御する制御装置であって、
一定期間における燃料電池の起動／停止状況、又は、一定期間における掃気処理の実行状況に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
一定期間内の起動回数又は停止回数、又は、一定期間内の掃気処理の実行回数に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の可否を決定することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
発電継続すると決定した場合に、燃料電池内の湿潤状態に基づいて発電継続の終了タイミングを決定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】
燃料電池の電極間のインピーダンス値に基づき、燃料電池内の湿潤状態を判断することを特徴とする請求項３記載の制御装置。
【請求項５】
燃料電池システムの掃気処理の実行を制御する制御装置であって、
一定期間における燃料電池の起動／停止状況、又は、一定期間における掃気処理の実行状況に基づいて、燃料電池を停止する際の掃気処理の実行を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項６】
一定期間内の起動回数又は停止回数、又は、一定期間内の掃気処理の実行回数に基づいて、燃料電池を停止する際の掃気処理の実行可否を決定することを特徴とする請求項５記載の制御装置。
【請求項７】
燃料電池の停止時に掃気処理を実行する燃料電池システムと、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置とを搭載する移動体。
【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、燃料電池を停止する際の燃料電池の発電動作又は掃気動作を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、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、燃料電池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、従来より燃料電池内の水分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、このような方法の一つとして、燃料電池を停止する際に燃料電池内に空気を所定時間供給し、空気流によって燃料電池内に残留する水分を除去する方法（掃気処理）が知られている。
【特許文献１】特開２００４−２０６８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池の停止時に掃気処理を行う従来の枠組みでは、燃料電池の起動／停止を繰り返し行った場合に、掃気処理によって必要以上に水分が除去されてしまい、燃料電池内の水分が不足し電解質膜が乾燥して再起動時に出力低下を招くおそれがある（ドライアップ現象）。また、供給された空気によって電極の酸化が進み、燃料電池が劣化するおそれもある。
【０００４】
ここで、燃料電池の停止要求があった場合に、直ちに停止するのではなく、一定時間発電を継続させてから停止するように制御することで、掃気処理等に起因した過度の乾燥を抑制したり、電極の還元や吸着した酸化種の除去を行うことが可能である。
【０００５】
しかし、このように、燃料電池の停止要求がある都度、一定時間発電を継続させたのでは、燃費が悪化してしまうという別の問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池の過度の乾燥等を抑制しつつ、燃費の悪化をも抑制することができる、燃料電池の発電動作又は掃気動作の制御技術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】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の制御装置は、燃料電池を停止する際に掃気処理を実行する燃料電池システムの発電動作を制御する制御装置であって、一定期間における燃料電池の起動／停止状況、又は、一定期間における掃気処理の実行状況に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御することを特徴とする。ここで、一定期間とは、停止要求（又は起動要求）を受け付けた時点から過去に遡って予め定めた一定の時間（例えば、分単位、時間単位等の実験によって定められる時間）を指す。
【０００８】
好適には、一定期間内の起動回数又は停止回数、又は、一定期間内の掃気処理の実行回数に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の可否を決定することを特徴とする。
【０００９】
また好適には、発電継続すると決定した場合に、燃料電池内の湿潤状態に基づいて発電継続の終了タイミングを決定することを特徴とする。この場合、燃料電池の電極間のインピーダンス値に基づき、燃料電池内の湿潤状態を判断することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の制御装置は、燃料電池システムの掃気処理の実行を制御する制御装置であって、一定期間における燃料電池の起動／停止状況、又は、一定期間における掃気処理の実行状況に基づいて、燃料電池を停止する際の掃気処理の実行を制御することを特徴とする。
【００１１】
好適には、一定期間内の起動回数又は停止回数、又は、一定期間内の掃気処理の実行回数に基づいて、燃料電池を停止する際の掃気処理の実行可否を決定することを特徴とする。
【００１２】
本発明の移動体は、燃料電池の停止時に掃気処理を実行する燃料電池システムと、本発明の制御装置とを搭載することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の過度の乾燥等を抑制しつつ、燃費の悪化をも抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス供給系統４０、酸化ガス供給系統７０、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、車両の加速要求を検出するためのアクセルセンサ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系統４０と酸化ガス供給系統７０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はインバータと電圧の昇圧／降圧をする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電力消費装置８３に供給する他、余剰電力を蓄電装置８１に蓄電する。
【００１７】
電力消費装置８３は、燃料電池電気自動車における動力発生装置（例えばモータ等の電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置）、熱発生装置（例えばヒータ等の電気エネルギーを熱エネルギーに変換する装置）、光発生装置（例えば、ライト）、音発生装置（例えば、移動体用オーディオ）であったり、これらを組み合わせた複合的な装置であってもよい。
【００１８】
電力消費装置８３の一例として、燃料電池電気自動車に搭載された補助的な装置（補機）を考えることができる。補機は、燃料電池電気自動車の移動に付随する装置（例えばステアリング、サスペンション、ブレーキ等）の駆動装置や、乗員室の快適性を得るための装置（例えば、エアコン、室内ライト等）や、運転操作性を向上する装置（例えば、ライト、ワイパ、操作盤の点灯等）や、主たる駆動装置（例えば、エンジン、発電機、モータ、燃料電池）の駆動を補助的に支える装置（燃料電池の場合、例えばコンプレッサ、水素ポンプ、冷却ポンプ）であってもよいし、システムの各種センサや制御装置（ＥＣＵ）を含むものと解釈してもよい。
【００１９】
蓄電装置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。蓄電装置としては、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、あるいはキャパシタを採用することができる。
【００２０】
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４０と、酸化ガスを供給するための系統７０と、燃料電池２０を冷却するための系統３０とを備えて構成されている。
【００２１】
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。
【００２２】
燃料電池システム１０の冷却系統３０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。
【００２３】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４０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。
【００２４】
燃料ガス流路４１には、燃料ガス貯蔵装置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。燃料ガス貯蔵装置４２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。
【００２５】
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で燃料ガス貯蔵装置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。
【００２６】
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。
【００２７】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７０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。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、制御部８０は、各流路に設置された温度センサＴや圧力センサ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・バルブの開閉制御又は弁開度の調整等を行って、燃料電池システム１０の発電動作を制御する。また、燃料電池２０を停止する際に、掃気処理を実行するように制御する。発電動作や掃気動作の制御は、従来技術を用いて実現することができる。
【００３０】
ただし、本実施形態の制御部８０は、一定期間における燃料電池２０の起動／停止状況に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御する点で、従来と異なっている。図１では、このような制御部８０により実現される発電継続に関する機能等を、発電継続可否決定手段８０１のように機能手段として示している。
【００３１】
以下、図３に示すフローチャートを参照して、停止要求を受け付けた場合の燃料電池２０の発電継続に関する制御部８０の機能について説明する。なお、各工程（符号が付与されていない部分的な工程を含む）は処理内容に矛盾を生じない範囲で任意に順番を変更して又は並列に実行することができる。
【００３２】
発電継続可否決定手段８０１は、制御部８０において実現される他の機能手段（例えば燃料電池システム１０全体動作を制御するシステム制御手段；図示せず）から、燃料電池２０の起動要求（ＳＴ−ＯＮ信号）を受け付けた場合（Ｓ１００）、内部タイマー等（図示せず）に基づいて起動時刻を取得し、起動時刻記憶手段８０２に書き込む（Ｓ１０１）。起動時刻記憶手段８０２は、Ｐ個（Ｐ≧２）のレコードに起動時刻をサイクリックに書き込むことができるように構成されている（図４（ａ）参照）。
【００３３】
次に、発電継続可否決定手段８０１は、起動時刻記憶手段８０２を参照し、今回の起動を１番、前回の起動を２番と数えた場合の、過去Ｐ番目の起動に対応する起動時刻を取得する（Ｓ１０２）。過去Ｐ番目の起動に対応する起動時刻は、サイクリックな書込み順序において、今回の起動時刻を書き込んだレコードの次のレコードに格納されている（図４（ｂ）参照）。
【００３４】
次に、発電継続可否決定手段８０１は、今回の起動時刻と、前記取得した過去Ｐ番目の起動に対応する起動時刻との時間差ｄを算出し、記憶する（Ｓ１０３）。
【００３５】
次に、発電継続可否決定手段８０１は、システム制御手段等から燃料電池２０の停止要求（ＩＧ−ＯＦＦ信号）を受け付けた場合（Ｓ１０４）、Ｓ１０３において算出した時間差ｄが一定期間Ｔ（例えば、５分間；実験により予め定められる）以下であるか否か、別言すれば、一定期間における燃料電池の起動／停止状況として、今回の起動時刻（起動要求を受け付けたタイミング）を起算点として過去に遡った一定期間Ｔ内にＰ回以上、燃料電池が起動されたか否かを判断する（Ｓ１０５）。
【００３６】
時間差ｄが一定期間Ｔ以下でない（一定期間Ｔ内にＰ回以上、起動されていない）と判断した場合、発電継続可否決定手段８０１は、発電継続不可と決定し、システム制御手段等に発電継続を行わずに停止することを通知する（Ｓ１０６）。
【００３７】
これを受けて、システム制御手段等は、発電を継続させることなく、燃料電池２０を停止させる（Ｓ１０９）。
【００３８】
一方、時間差ｄが一定期間Ｔ以下である（一定期間Ｔ内にＰ回以上、起動された）と判断した場合、発電継続可否決定手段８０１は、発電継続可と決定し、システム制御手段等に発電継続を通知する（Ｓ１０７）。
【００３９】
これを受けて、システム制御手段等は、所定の一定時間、燃料電池２０に燃料ガスを供給して発電を継続させ（Ｓ１０８）、その後、燃料電池２０を停止させる（Ｓ１０９）。
【００４０】
ここで、所定の一定時間、発電を継続させる代わりに、燃料電池２０内の湿潤状態（又は乾燥状態）に基づいて発電継続の終了タイミングを決定するように構成してもよい。具体的には、制御部８０の制御のもと、燃料電池２０内の湿潤度合いを判断し、湿潤度合いが許容できるレベルとなるまで、燃料電池２０に燃料ガスを供給して発電を継続させることが考えられる。燃料電池の湿潤度合いは、例えば、高分子電解質膜が乾燥すると抵抗値が上昇するという性質を利用して、燃料電池の電極間のインピーダンス値に基づいて判断することができる。
【００４１】
本実施形態によれば、停止要求を受け付けると、今回の起動から過去一定期間Ｔ内にＰ回以上、燃料電池が起動されていた場合にかぎり、所定期間、発電を継続してから、燃料電池２０を停止するように構成しているため、一定期間Ｔ内に起動／停止が何度も繰り返され、その結果、掃気処理も繰り返されて燃料電池が過度に乾燥するおそれがある場合には、発電を継続して湿潤化を図ることができる一方、一定期間Ｔ内の起動／停止回数（従って、掃気処理の回数）が所定数以内であって、過度に乾燥するおそれがない場合には、発電継続動作が行われないため、燃費の悪化を抑制することができる。
【００４２】
（その他）
本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施形態のようにサイクリックに起動時刻を記憶する代わりに、所定のタイミングを基準として起動回数をカウントし、その起動回数がＰ回以上の場合に、停止要求を受け付けた場合に発電継続可と決定するように構成してもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、起動時刻（起動要求を受け付けたタイミング）を起算点とした過去一定期間Ｔにおける起動回数に基づき、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御する構成としているが、本発明はこのような構成に限られず、一定期間における起動／停止状況に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御する構成となっていればよい。例えば、停止要求を受け付けたタイミングを起算点とした過去一定期間Ｔにおける停止回数などに基づいて同様に制御する構成としてもよい。
【００４４】
また、一定期間における燃料電池の起動／停止状況に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御する構成に代えて、一定期間における掃気処理の実行状況に基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の実行を制御する構成としてもよい。具体的には、一定期間内の掃気処理の実行回数や実行時間などに基づいて、停止要求を受け付けた場合の発電継続の可否を決定することが考えられる。かかる構成は、例えば、燃料電池を停止する際に所定の条件のもと掃気処理を実行する場合など、燃料電池の起動／停止回数と掃気処理の実行回数が一致しない場合に好ましい。
【００４５】
また、上記実施形態では、停止要求を受け付けた場合に発電継続の実行を制御することで、過度の乾燥と燃費の悪化の双方を抑制する構成としているが、例えば、停止要求を受け付けた場合に掃気処理の実行を制御することで、過度の乾燥と燃費の悪化の双方を抑制する構成としてもよい。具体的には、一定期間内の起動回数又は停止回数、又は、一定期間内の掃気処理の実行回数に基づいて、燃料電池を停止する際の掃気処理の実行可否を決定する（例えば、前記回数がＰ以上である場合には、燃料電池を停止する際に掃気処理を実行しない）ことが考えられる。
【００４６】
また、上記実施形態では、停止要求を受け付けた場合の制御内容として、発電継続の可否を決定する構成としているが、これに代えて、又は加えて、発電継続する場合の発電継続期間を制御する構成としてもよい。例えば、一定期間内の燃料電池の起動回数等が所定数以下である場合には、それほど乾燥していないと判断し、発電継続時間を短くするといったことが考えられる。
【００４７】
なお、本発明の制御装置、該制御装置を組み込んだ燃料電池システムは、車両、電車、船舶、航空機等の輸送機関全般などを含む移動体のほか、ロボットや定置設備にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態における燃料電池システム１０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１０の主要構成図である。
【図３】発電継続に関する制御部８０の機能を説明するためのフローチャートである。
【図４】起動時刻記憶手段８０２のサイクリックに書き込みが行われるデータ構造を説明するため図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３０  冷却系統、３１  冷却路、４０  燃料ガス供給系統、４１  燃料ガス流路、４２  燃料ガス貯蔵装置、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、７０  酸化ガス供給系統、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、８０１  発電継続可否決定手段、８０２  起動時刻記憶手段
【図１】
2007128773.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007128773.tif 000006