燃料電池システム
【課題】アイドルストップ時の空気供給制御を改善して、燃料電池の劣化を抑制する。
【解決手段】燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態時に、電圧センサ２２３で計測された最大セル電圧が予め設定された第２の所定電圧（上限電圧）以下となるように空気コンプレッサ２１２を稼動させて、燃料電池スタック２０１に空気を間欠的に供給制御して構成される。
【解決手段】燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態時に、電圧センサ２２３で計測された最大セル電圧が予め設定された第２の所定電圧（上限電圧）以下となるように空気コンプレッサ２１２を稼動させて、燃料電池スタック２０１に空気を間欠的に供給制御して構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイドルストップ状態時における動作制御を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した燃料電池車両では、燃料ガスを効率的に利用するため、燃料電池と２次電池とを併用して、適宜使い分ける制御を行う場合がある。例えば、通常時には両者を併用して車両の駆動源であるモータに電力を供給するが、低速走行時やアイドリング時等の低負荷や燃料電池の発電効率が低くなるような運転状態時には、燃料電池システム全体の稼動を停止状態にすることなく、発電に直接係わる空気コンプレッサ等の燃料電池駆動用補機類の動作を停止して燃料電池による発電を停止し燃料電池をアイドルストップ状態とし、２次電池のみからの給電によりモータを駆動するといった制御を行っている。
【０００３】
このようなアイドルストップ機能を備えた燃料電池システムでは、アイドルストップ中は、燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気（酸素）の供給が停止されているので、電解質膜を介してアノード極の残留水素がカソード極に透過する。これにより、透過した水素がカソード極の空気と反応し、カソード極の空気の濃度が低下する。
【０００４】
カソード極の空気濃度が低下すると、燃料電池システムがアイドルストップ状態から通常の発電状態に復帰する際に、カソード極で空気不足となり、発電遅れが生じするおそれがあった。また、カソード極の空気が不足すると、燃料電池のセル電圧が低下し、燃料電池から電流の取り出しを制御するＰＭ（パワーマネージャー）の入力電圧が低下して定格値を下回り、ＰＭの電流取り出し制御に不具合を生じるおそれがあった。
【０００５】
このような不具合を回避するために、燃料電池システムのアイドルストップ中にカソード極に定期的（間欠的）に空気を供給する、例えば以下に示す文献に記載された技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
この文献１に記載された技術では、簡潔運転モードで燃料電池の発電を停止しているときに、所定期間が経過する毎に所定の時間空気コンプレッサを駆動して燃料電池に空気を定期的（間欠的）に供給し、カソード極の空気不足を回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来の燃料電池システムにおいて、カソード極に供給される空気の量は、時間で規定されていたので、カソード極に空気が過剰に供給されるおそれがあった。空気が過剰に供給されると、燃料電池の電圧が上昇し、上昇した電圧が燃料電池の劣化を引き起こす電圧を超えると、燃料電池の劣化を促進させてしまうという不具合を招くおそれがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アイドルストップ時の空気供給制御を改善して、燃料電池の劣化を抑制した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、燃料電池スタックに酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの電圧を計測する電圧測手段と、酸化剤ガス供給手段に電力を供給可能な電力供給源と、燃料電池スタックの発電で得られた電流を燃料電池スタックから取り出す電流取り出し手段と、燃料電池スタックの発電が停止し、かつ、酸化剤ガス供給手段の稼働が停止しているときに、所定の条件が成立すると電力供給源の電力により酸化剤ガス供給手段を再稼働させ、電圧計測手段で計測された燃料電池スタックの電圧が燃料電池セルの劣化が促進されない電圧値である上限電圧値を越えないように、電圧計測手段で計測された燃料電池スタックの電圧に応じて、酸化剤ガス供給手段を制御するとともに、燃料電池スタックの発電を再開しつつ電流取り出し手段による取り出し電流を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池システムのアイドルストップ状態時において、最大セル電圧が上限電圧を超えないように酸化剤ガスの供給を制御することで、セルの劣化促進を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】燃料電池システムのアイドルストップ状態への移行手順を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池システムのアイドルストップ状態の解除手順を示すフローチャートである。
【図５】アイドルストップ状態時の空気コンプレッサの制御手順を示すフローチャートである。
【図６】実施形態１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数のタイミングチャートである。
【図７】実施形態１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数の他のタイミングチャートである。
【図８】（第２の所定電圧−セル最大電圧）と空気コンプレッサ回転数との関係を示す図である。
【図９】実施形態１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数の他のタイミングチャートである。
【図１０】セル最大電圧の単位時間あたりの上昇量と空気コンプレッサ回転数の減少量との関係を示す図である。
【図１１】電流取り出しの制御手順を示すフローチャートである。
【図１２】実施形態２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流のタイミングチャートである。
【図１３】実施形態２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流の他のタイミングチャートである。
【図１４】実施形態２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流の他のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明を実施するための実施形態を説明する。
【００１４】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の基本構成を示す図であり、図２は本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【００１５】
図１において、燃料電池車両は、車両本体１０１に駆動電源として燃料電池システム１０２を搭載してなるものであり、更にインバータ１０３、駆動モータ１０４、駆動輪１０５、車速センサ１０６、２次電池１０７、リレー１０８ならびに制御コントローラ１０９を備えている。また、燃料電池車両は、車両のシフト位置を検出するシフト位置センサ１１１、ブレーキの有無を検出するブレーキセンサ１１２、ならびにアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ１１３を備えている。
【００１６】
燃料電池システム１０２は、駆動モータ１０４が消費する電力や２次電池１０７の充電に必要な電力が発電できるように、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの水素や酸化剤ガスの空気の圧力、ならびに流量等が図２に示す圧力調整弁、コンプレッサ等で制御される。
【００１７】
インバータ１０３は、燃料電池システム１０２で発電される直流電力を交流電力に変換し、制御コントローラ１０９から指示される駆動モータ１０４を駆動する出力トルクとなるように、駆動モータ１０４を制御する。
【００１８】
駆動輪１０５は、駆動モータ１０４と機械的に接続されており、駆動モータ１０４で得られた駆動トルクが伝達されて、駆動力を発生させて車両を駆動する。車速センサ１０６は駆動輪１０５の回転速度を検出する。
【００１９】
２次電池１０７は、車両のアイドリング時や燃料電池システムのアイドルストップ時など、燃料電池システム１０２から電力が供給されない場合に、駆動モータ１０４や、燃料電池システム１０２が発電するために必要となる補機の圧力調整弁やコンプレッサに電力を供給する。２次電池１０７には、２次電池１０７の電圧を検出する電圧センサ１１４ならびに電流を検出する電流センサ１１５が設けられており、この電圧センサ１１４ならびに電流センサ１１５で検出された電圧ならびに電流に基づいて、２次電池１０７の充電量が推定される。
【００２０】
リレー１０８は、制御コントローラ１０９からの指令に基づいて、燃料電池システム１０２と負荷とを接続／切断する。
【００２１】
制御コントローラ１０９は、本燃料電池車両の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御コントローラ１０９は、本車両における上記各センサならびにこれらのセンサで得られない燃料電池車両の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本車両の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、本車両のアイドリングストップ移行後の燃料電池システム１０２の動作処理を含む本車両の運転／停止動作に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２２】
次に、図２を参照して、燃料電池システム１０２について説明する。
【００２３】
図２において、燃料電池システム１０２は、発電を行う燃料電池スタック２０１と、この燃料電池スタック２０１に燃料ガスである水素（あるいは水素リッチガス）を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック２０１に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するための空気供給系とを有している。
【００２４】
燃料電池スタック２０１は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。
【００２５】
燃料電池スタック２０１の水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００２６】
燃料電池スタック２０１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００２７】
水素供給系は、水素供給手段から供給される水素を水素極通路を介して燃料電池スタック２０１の水素極へと導く。すなわち、この実施形態１の水素供給系は、水素供給手段として水素を高圧で貯蔵する水素タンク２０２、燃料電池スタック２０１で行われる発電に必要となる水素が燃料電池スタック２０１に供給されるように燃料電池スタック２０１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁２０３、燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスをエゼクタ２０４を介して燃料電池スタック２０１の入口側に戻すために水素オフガスを水素循環配管２０５を循環させる水素循環ポンプ２０６、ならびに水素極通路となる水素供給配管２０７を有している。
【００２８】
水素供給源である水素タンク２０２から供給される水素ガスは、水素調圧弁２０３を通って水素供給配管２０７へと送り込まれ、燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。このとき、水素調圧弁２０３は、燃料電池スタック２０１の水素極及び水素極通路内の圧力が負荷に応じた圧力となるように、供給される水素ガスの圧力を調整している。
【００２９】
燃料電池スタック２０１では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスは、水素循環配管２０５を通って水素循環ポンプ２０６により循環され、エゼクタ２０４で新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。これにより、水素のストイキ比（供給流量／消費流量）を１以上にすることができ、セル電圧が安定化する。
【００３０】
水素供給系における燃料電池スタック２０１の出口側には、パージ弁２１０及びパージ配管２１１が設けられている。パージ弁２１０は、通常は閉じられており、燃料電池スタック２０１の水詰まりや不活性ガスの蓄積等によるセル電圧の低下を検知すると開放される。水素循環配管２０５内には水素ガスを循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池スタック２０１の発電効率が低下する場合がある。そこで、燃料電池スタック２０１の出口側にパージ弁２１０やパージ配管２１１を設け、必要に応じてパージ弁２１０を開放して水素パージを行うことで、水素循環配管２０５内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。
【００３１】
燃料電池スタック２０１の空気供給系は、空気供給手段からの空気を空気極通路によって燃料電池スタック２０１の空気極へと導く。すなわち、実施形態１の空気供給系は、空気供給手段としての空気コンプレッサ２１２ならびに空気調圧弁２１３と、空気極通路となる空気供給配管２１４を有している。
【００３２】
空気コンプレッサ２１２は、燃料電池スタック２０１の空気極に空気を送り込むものであり、例えばモータ駆動により圧縮した空気を空気供給配管２１４を通して燃料電池スタック２０１の空気極へと供給する。空気コンプレッサ２１２には、コンプレッサの回転数を検出する回転数センサ２１６が設けられいる。
【００３３】
空気調圧弁２１３は、空気コンプレッサ２１２によって燃料電池スタック２０１に供給される空気の圧力を調整するものであり、燃料電池スタック２０１の空気極の出口側の排気管２１５に設けられている。空気調圧弁２１３は、燃料電池スタック２０１の空気極及び空気極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、空気コンプレッサ２１２によって供給される空気の圧力を調整している。
【００３４】
燃料電池スタック２０１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック２０１から排気管２１５ならびに空気調圧弁２１３を介して排出される。
【００３５】
上述した固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタック２０１は、適正な作動温度が８０℃前後と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。このため、通常は燃料電池スタック２０１内に冷却水を循環させて燃料電池スタック２０１を冷却し、燃料電池スタック２０１を最適な温度に維持する冷却機構（図示せず）が設けられている。
【００３６】
また、燃料電池システムは、電圧センサ２２３、ＰＭ（パワーマネージャー）２２４ならびにシステム制御部２２５（制御手段）を備えている。電圧センサ２２３は、燃料電池スタック２０１の各セルに設けられており、各セルの電圧を検出してシステム制御部２２５に与える。
【００３７】
ＰＭ２２４は、システム制御部２２５から与えられる制御指令に基づいて、燃料電池スタック２０１の発電で得られた電流の取り出しを制御し、燃料電池スタック２０１から取り出した電流を駆動モータ１０４や２次電池１０７等の負荷に供給する。ＰＭ２２４は、燃料電池スタック２０１から取り出される電流の値を検出する電流センサ（図示せず）を備え、この電流センサで検出された取り出し電流値はシステム制御部２２５に与えられる。
【００３８】
システム制御部２２５は、本燃料電池システム１０２の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現され、例えば図１に示す制御コントローラ１０９の一部機能として実現される。システム制御部２２５は、本燃料電池システム１０２における上記各センサ類、ならびにこれらのセンサ類で得られない燃料電池システム１０２の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、燃料電池システム１０２の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における動作を含む、燃料電池システム１０２の運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００３９】
燃料電池システム１０２をアイドルストップ状態に移行する動作は、図３のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
【００４０】
図３において、先ず水素調圧弁２０３を閉じて燃料ガスの水素の供給を停止した後（ステップＳ３１）、燃料電池スタック２０１の水素の圧力が所定の圧力以下、例えば大気圧よりも低い所定の負圧にする減圧処理を行う（ステップＳ３２）。その後、水素圧が所定の圧力以下になったか否かを判別し（ステップＳ３３）、所定の圧力以下になると、減圧処理が終了したものとする（ステップＳ３４）。そして、パージ弁２１０を閉じて水素循環ポンプ２０６の駆動を停止し、空気コンプレッサ２１２の駆動を停止して空気の供給を停止し（ステップＳ３５）、冷却水を停止する（ステップＳ３６）。これにより、燃料電池スタック２０１の発電を停止し、燃料電池システムをアイドルストップ状態に移行する。
【００４１】
このように、燃料電池システムをアイドルストップ状態にすることで、水素循環ポンプ２０６や空気コンプレッサ２１２の補機類の運転を止め、燃費の向上に加えて、音振性能の向上、低消費電力化を図っている。
【００４２】
燃料電池システムのアイドルストップ状態を解除して発電を再開する手順は、図４に示すフローチャートにしたがって行われる。
【００４３】
図４において、先ず水素調圧弁２０３を開いて水素の供給を開始するとともに（ステップＳ４１）、空気コンプレッサ２１２を駆動し空気調圧弁２１３を開き空気の供給を開始する（ステップＳ４２）。その後、発電を開始するとともに（ステップＳ４３）、冷却水の供給を開始する（ステップＳ４４）。これにより、ＰＭ２２４の制御の下に燃料電池スタック２０１から電流が取り出され、燃料電池システム１０２はアイドルストップ状態から通常の発電状態に戻る。
【００４４】
次に、このようなアイドルストップ機能を備えた燃料電池システム１０２において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態にあるときの、燃料電池スタック２０１のカソード極への空気の供給制御について説明する。
【００４５】
図５はアイドルストップ状態における燃料電池システム１０２の空気供給系を構成する空気コンプレッサ２１２の制御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制御手順は、システム制御部２２５の制御の下に行われる。
【００４６】
図５において、先ず燃料電池スタック２０１の発電が停止して燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態であるか否かを判別する（ステップＳ５１）。判別の結果、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態である場合には、続いて、空気コンプレッサ２１２が稼動されているか否かを判別する（ステップＳ５２）。判別の結果、空気コンプレッサ２１２が稼動されていない場合には、引き続いて空気コンプレッサ２１２の稼動条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ５３）。
【００４７】
ここで、空気コンプレッサ２１２を稼動するか否かの判別要件は、様々に考えられるが、例えば燃料電池スタック２０１の各セルに設けられた電圧センサ２２３で検出された各セルのセル電圧の内、最小セル電圧（最小値）が所定の下限電圧（第１の所定電圧）に達したか否かとして設定される。この第１の所定電圧は、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態から通常の発電状態に復帰する際の、カソード極の空気不足による発電遅れや、ＰＭ２２４の仕様によって決まるＰＭ２２４の最低入力電圧を確保できる電圧に設定される。なお、セル電圧とカソード極の空気不足との関係は、予め実験や机上検討等によって取得し、取得した関係に基づいて、空気不足とならないセル電圧を設定する。
【００４８】
ステップＳ５３の判別の結果、空気コンプレッサ２１２の稼動条件が成立した場合には、空気調圧弁２１３を開放した後空気コンプレッサ２１２を稼動してカソード極に空気を供給する（ステップＳ５４）。これにより、図６のタイミングチャートに示すように、最小セル電圧は下降から上昇に転じる。
【００４９】
次に、図５に戻って、先のステップＳ５２の判別結果において、空気コンプレッサ２１２が稼動していると判別された場合には、続いて稼動している空気コンプレッサ２１２を停止する停止条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ５５）。
【００５０】
ここで、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するか否かの判別要件は、燃料電池スタック２０１の各セルに設けられた電圧センサ２２３で検出された各セルのセル電圧の内、最大セル電圧（最大値）が所定の上限電圧（第２の所定電圧）を超えないように設定される。したがって、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するか否かの判別要件は、例えば最大セル電圧が第２の所定電圧よりも低い値に設定された第３の所定電圧に達したか否かとして設定される。
【００５１】
上記第２の所定電圧は、カソード極に空気が供給されることでセル電圧が上昇してセルの劣化が促進されない最大の電圧として設定される。このセルの劣化が促進されない最大電圧は、それぞれの燃料電池スタック２０１を構成するセルの仕様によって様々であるので、予め実験や机上検討等を行って取得する。一方、第３の所定電圧は、空気コンプレッサ２１２を停止した直後の最大セル電圧の多少の上昇分を見込んで設定され、空気コンプレッサ２１２を停止する最大セル電圧と停止後の最大セル電圧の上昇分は、予め実験等により取得する。
【００５２】
ステップＳ５５の判別の結果、空気コンプレッサ２１２の停止条件が成立した場合には、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止してカソード極への空気の供給を停止する（ステップＳ５６）。これにより、図６に示すように、最大セル電圧は第２の所定電圧を上回ることなく上昇から低下に転じる。したがって、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における空気の供給制御において、セルの劣化を防止することが可能となる。
【００５３】
一方、先のステップＳ５１の判別結果において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態でない場合には、空気コンプレッサ２１２は通常運転時の制御が行われる（ステップＳ５７）。
【００５４】
空気コンプレッサ２１２は、図６に示すように、稼働後は所定の回転数で駆動制御されているが、図７のタイミングチャートに示すように、最大セル電圧が上記第２の所定電圧に近づくにしたがって空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々に低下させるようにしてもよい。このときに、最大セル電圧と第２の所定電圧との差分（第２の所定電圧−セル電圧最大値）と空気コンプレッサ２１２の回転数との関係は、例えば図８に示すような比例関係となり、上記差分が「０」になった時点で空気コンプレッサ２１２の回転数も「０」となるように上記両者の関係を設定する。
【００５５】
このように、空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々に低下させることで、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するとほぼ同時に最大セル電圧も低下するので、最大セル電圧を第２の所定電圧を超えない直近まで上昇させてカソード極に十分空気を供給することが可能となる。
【００５６】
また、図９のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動を開始した後のセルの最も速い電圧上昇速度が、所定の速度以下となるように空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させるように空気コンプレッサ２１２を駆動制御する。すなわち、セル電圧の上昇速度が大きい場合には、空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させる速度を速くする。このときに、最大セル電圧の単位時間あたりの上昇量（Ｖ／ｓｅｃ）と空気コンプレッサ２１２の回転数の減少量との関係は、例えば図１０に示すような比例関係となり、上記上昇量が「０」で上記減少量が「０」となるように上記両者の関係が設定される。
【００５７】
このような制御手法を採用することで、先の空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々に低下させる制御手法を採用することで得られる効果と同様の効果を得ることが可能となる。
【００５８】
さらに、図６、図７ならびに図９のタイミングチャートに示す空気コンプレッサ２１２の制御手法では、稼働開始時に空気コンプレッサ２１２を所定の回転数までいっきに立ち上げているが、空気コンプレッサ２１２の回転数の上昇速度を所定の速度以下に抑えるようにしてもよい。これにより、停止していた空気コンプレッサ２１２が稼動した際に、空気コンプレッサ２１２の駆動音が急変することによる燃料電池車両の乗員への違和感を低減することができる。したがって、上記所定の速度は、一般的に乗員が違和感を感じない程度とし、予め実験等で確認して設定する。
【００５９】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。この実施形態２の特徴とするところは、先の実施形態１で説明した空気コンプレッサ２１２の制御に加えて、燃料電池スタック２０１の取り出し電流を制御したことにあり、燃料電池システム１０２の構成は図２と同様である。
【００６０】
図１１はアイドルストップ状態においてＰＭ２２４による電流取り出しの制御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制御手順は、ＰＭ２２４へのシステム制御部２２５の制御指令の下に行われる。
【００６１】
図１１において、先ず燃料電池スタック２０１の発電が停止して燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態であるか否かを判別する（ステップＳ１１１）。判別の結果、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態である場合には、続いて、ＰＭ２２４で燃料電池スタック２０１から電流が取り出されているか否かを判別する（ステップＳ１１２）。判別の結果、電流が取り出されていない場合には、引き続いて燃料電池スタック２０１から電流を取り出す取り出し条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ１１３）。
【００６２】
ここで、電流を取り出すか否かの判別要件は、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止して最大セル電圧が第２の所定電圧に達した否かとして設定される。この第２の所定電圧は、先の実施形態１で説明したものと同様である。
【００６３】
ステップＳ１１３の判別の結果、セルの最大電圧が上記第２の所定電圧に達して電流の取り出し要件が成立した場合には、ＰＭ２２４で燃料電池スタック２０１からＰＭ２２４で電流を取り出す（ステップＳ１１４）。空気コンプレッサ２１２を停止した後に、最大セル電圧が第２の所定電圧以上となる分を電流として取り出すことで、最大セル電圧を低下させて第２の所定電圧を超えないように制御する。
【００６４】
ここで、取り出す電流の値は、例えば燃料電池車両のアイドル時に燃料電池スタック２０１から取り出される電流値よりも小さい値に設定する。もしくは、電流を取り出すことで水素ガスのＳＲ（ストイキ比）が不足しない値に設定する。あるいは、電流を取り出すことによって電圧センサ２２３で検出された各セルのセル電圧のばらつきが予め実験等を行って決められた所定電圧以内となるような値に設定される。
【００６５】
これにより、図１２のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止しても燃料電池スタック２０１から電流を取り出すことで最大セル電圧の上昇が回避され、セル電圧がセルの劣化を促進する電圧を上回ることが防止できる。
【００６６】
次に、図１１に戻って、先のステップＳ１１２の判別結果において、電流が取り出されている場合には、続いて電流の取り出し停止要件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ１１５）。
【００６７】
電流を取り出した際の電流値は、最大セル電圧が第２の所定電圧を超える分だけの値となり、電流を取り出して最大セル電圧が第２の所定電圧以下になることで取り出し電流も０となる。したがって、電流の取り出しの停止要件は、最大セル電圧が第２の所定電圧以下になったことに設定される。あるいは、電流の取り出しの停止要件は、例えば予め実験等で決めた所定の時間が経過したことに設定される。
【００６８】
ステップＳ１１５の判別の結果、電流の取り出し停止要件が成立した場合には、電流の取り出しが停止される（ステップＳ１１６）。これにより、図１２のタイミングチャートに示すように、最大セル電圧は第２の所定電圧を上回ることなく低下に転じる。したがって、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における空気の供給制御において、セルの劣化を防止することが可能となる。
【００６９】
一方、先のステップＳ１１１の判別結果において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態でない場合には、ＰＭ２２４による電流の取り出しは通常運転時の制御が行われる（ステップＳ１１７）。
【００７０】
燃料電池スタック２０１からの電流の取り出しは、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止した後電流の取り出しを開始しているが、図１３のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止する前に電流の取り出しを開始し、電流の取り出しを開始した後取り出し電流を徐々に増加し、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止した後取り出し電流が徐々に低下する制御手法を採用しても、上述したと同様の効果を得ることができる。
【００７１】
また、図１４のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼働後最大セル電圧が第２の所定電圧に達したときに、空気コンプレッサ２１２の駆動を停止せずに電流を取り出すことで最大セル電圧の上昇を抑え、その後空気コンプレッサ２１２の駆動を停止し、停止後電流の取り出しを停止するような制御手法を採用しても、上述したと同様の効果を得ることができる。さらに、空気コンプレッサ２１２を稼動しているときの最大セル電圧の上昇速度が予め設定された所定の上昇速度以下となるように電流を取り出す制御手法を採用してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０１…車両本体
１０２…燃料電池システム
１０３…インバータ
１０４…駆動モータ
１０５…駆動輪
１０６…車速センサ
１０７…２次電池
１０８…リレー
１０９…制御コントローラ
１１１…シフト位置センサ
１１２…ブレーキセンサ
１１３…アクセル開度センサ
１１４，２２３…電圧センサ
１１５…電流センサ
２０１…燃料電池スタック
２０２…水素タンク
２０３…水素調圧弁
２０４…エゼクタ
２０５…水素循環配管
２０６…水素循環ポンプ
２０７…水素供給配管
２１０…パージ弁
２１１…パージ配管
２１２…空気コンプレッサ
２１３…空気調圧弁
２１４…空気供給配管
２１５…排気管
２１６…回転数センサ
２２４…ＰＭ（パワーマネージャー）
２２５…システム制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイドルストップ状態時における動作制御を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した燃料電池車両では、燃料ガスを効率的に利用するため、燃料電池と２次電池とを併用して、適宜使い分ける制御を行う場合がある。例えば、通常時には両者を併用して車両の駆動源であるモータに電力を供給するが、低速走行時やアイドリング時等の低負荷や燃料電池の発電効率が低くなるような運転状態時には、燃料電池システム全体の稼動を停止状態にすることなく、発電に直接係わる空気コンプレッサ等の燃料電池駆動用補機類の動作を停止して燃料電池による発電を停止し燃料電池をアイドルストップ状態とし、２次電池のみからの給電によりモータを駆動するといった制御を行っている。
【０００３】
このようなアイドルストップ機能を備えた燃料電池システムでは、アイドルストップ中は、燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気（酸素）の供給が停止されているので、電解質膜を介してアノード極の残留水素がカソード極に透過する。これにより、透過した水素がカソード極の空気と反応し、カソード極の空気の濃度が低下する。
【０００４】
カソード極の空気濃度が低下すると、燃料電池システムがアイドルストップ状態から通常の発電状態に復帰する際に、カソード極で空気不足となり、発電遅れが生じするおそれがあった。また、カソード極の空気が不足すると、燃料電池のセル電圧が低下し、燃料電池から電流の取り出しを制御するＰＭ（パワーマネージャー）の入力電圧が低下して定格値を下回り、ＰＭの電流取り出し制御に不具合を生じるおそれがあった。
【０００５】
このような不具合を回避するために、燃料電池システムのアイドルストップ中にカソード極に定期的（間欠的）に空気を供給する、例えば以下に示す文献に記載された技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
この文献１に記載された技術では、簡潔運転モードで燃料電池の発電を停止しているときに、所定期間が経過する毎に所定の時間空気コンプレッサを駆動して燃料電池に空気を定期的（間欠的）に供給し、カソード極の空気不足を回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来の燃料電池システムにおいて、カソード極に供給される空気の量は、時間で規定されていたので、カソード極に空気が過剰に供給されるおそれがあった。空気が過剰に供給されると、燃料電池の電圧が上昇し、上昇した電圧が燃料電池の劣化を引き起こす電圧を超えると、燃料電池の劣化を促進させてしまうという不具合を招くおそれがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アイドルストップ時の空気供給制御を改善して、燃料電池の劣化を抑制した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、燃料電池スタックに酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの電圧を計測する電圧測手段と、酸化剤ガス供給手段に電力を供給可能な電力供給源と、燃料電池スタックの発電で得られた電流を燃料電池スタックから取り出す電流取り出し手段と、燃料電池スタックの発電が停止し、かつ、酸化剤ガス供給手段の稼働が停止しているときに、所定の条件が成立すると電力供給源の電力により酸化剤ガス供給手段を再稼働させ、電圧計測手段で計測された燃料電池スタックの電圧が燃料電池セルの劣化が促進されない電圧値である上限電圧値を越えないように、電圧計測手段で計測された燃料電池スタックの電圧に応じて、酸化剤ガス供給手段を制御するとともに、燃料電池スタックの発電を再開しつつ電流取り出し手段による取り出し電流を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池システムのアイドルストップ状態時において、最大セル電圧が上限電圧を超えないように酸化剤ガスの供給を制御することで、セルの劣化促進を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】燃料電池システムのアイドルストップ状態への移行手順を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池システムのアイドルストップ状態の解除手順を示すフローチャートである。
【図５】アイドルストップ状態時の空気コンプレッサの制御手順を示すフローチャートである。
【図６】実施形態１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数のタイミングチャートである。
【図７】実施形態１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数の他のタイミングチャートである。
【図８】（第２の所定電圧−セル最大電圧）と空気コンプレッサ回転数との関係を示す図である。
【図９】実施形態１に係るセル電圧ならびに空気コンプレッサ回転数の他のタイミングチャートである。
【図１０】セル最大電圧の単位時間あたりの上昇量と空気コンプレッサ回転数の減少量との関係を示す図である。
【図１１】電流取り出しの制御手順を示すフローチャートである。
【図１２】実施形態２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流のタイミングチャートである。
【図１３】実施形態２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流の他のタイミングチャートである。
【図１４】実施形態２に係るセル電圧、空気コンプレッサ回転数ならびに取り出し電流の他のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明を実施するための実施形態を説明する。
【００１４】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の基本構成を示す図であり、図２は本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【００１５】
図１において、燃料電池車両は、車両本体１０１に駆動電源として燃料電池システム１０２を搭載してなるものであり、更にインバータ１０３、駆動モータ１０４、駆動輪１０５、車速センサ１０６、２次電池１０７、リレー１０８ならびに制御コントローラ１０９を備えている。また、燃料電池車両は、車両のシフト位置を検出するシフト位置センサ１１１、ブレーキの有無を検出するブレーキセンサ１１２、ならびにアクセルの開度を検出するアクセル開度センサ１１３を備えている。
【００１６】
燃料電池システム１０２は、駆動モータ１０４が消費する電力や２次電池１０７の充電に必要な電力が発電できるように、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの水素や酸化剤ガスの空気の圧力、ならびに流量等が図２に示す圧力調整弁、コンプレッサ等で制御される。
【００１７】
インバータ１０３は、燃料電池システム１０２で発電される直流電力を交流電力に変換し、制御コントローラ１０９から指示される駆動モータ１０４を駆動する出力トルクとなるように、駆動モータ１０４を制御する。
【００１８】
駆動輪１０５は、駆動モータ１０４と機械的に接続されており、駆動モータ１０４で得られた駆動トルクが伝達されて、駆動力を発生させて車両を駆動する。車速センサ１０６は駆動輪１０５の回転速度を検出する。
【００１９】
２次電池１０７は、車両のアイドリング時や燃料電池システムのアイドルストップ時など、燃料電池システム１０２から電力が供給されない場合に、駆動モータ１０４や、燃料電池システム１０２が発電するために必要となる補機の圧力調整弁やコンプレッサに電力を供給する。２次電池１０７には、２次電池１０７の電圧を検出する電圧センサ１１４ならびに電流を検出する電流センサ１１５が設けられており、この電圧センサ１１４ならびに電流センサ１１５で検出された電圧ならびに電流に基づいて、２次電池１０７の充電量が推定される。
【００２０】
リレー１０８は、制御コントローラ１０９からの指令に基づいて、燃料電池システム１０２と負荷とを接続／切断する。
【００２１】
制御コントローラ１０９は、本燃料電池車両の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御コントローラ１０９は、本車両における上記各センサならびにこれらのセンサで得られない燃料電池車両の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本車両の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、本車両のアイドリングストップ移行後の燃料電池システム１０２の動作処理を含む本車両の運転／停止動作に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２２】
次に、図２を参照して、燃料電池システム１０２について説明する。
【００２３】
図２において、燃料電池システム１０２は、発電を行う燃料電池スタック２０１と、この燃料電池スタック２０１に燃料ガスである水素（あるいは水素リッチガス）を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック２０１に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するための空気供給系とを有している。
【００２４】
燃料電池スタック２０１は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。
【００２５】
燃料電池スタック２０１の水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００２６】
燃料電池スタック２０１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００２７】
水素供給系は、水素供給手段から供給される水素を水素極通路を介して燃料電池スタック２０１の水素極へと導く。すなわち、この実施形態１の水素供給系は、水素供給手段として水素を高圧で貯蔵する水素タンク２０２、燃料電池スタック２０１で行われる発電に必要となる水素が燃料電池スタック２０１に供給されるように燃料電池スタック２０１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁２０３、燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスをエゼクタ２０４を介して燃料電池スタック２０１の入口側に戻すために水素オフガスを水素循環配管２０５を循環させる水素循環ポンプ２０６、ならびに水素極通路となる水素供給配管２０７を有している。
【００２８】
水素供給源である水素タンク２０２から供給される水素ガスは、水素調圧弁２０３を通って水素供給配管２０７へと送り込まれ、燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。このとき、水素調圧弁２０３は、燃料電池スタック２０１の水素極及び水素極通路内の圧力が負荷に応じた圧力となるように、供給される水素ガスの圧力を調整している。
【００２９】
燃料電池スタック２０１では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池スタック２０１から排出された水素オフガスは、水素循環配管２０５を通って水素循環ポンプ２０６により循環され、エゼクタ２０４で新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック２０１の水素極に供給される。これにより、水素のストイキ比（供給流量／消費流量）を１以上にすることができ、セル電圧が安定化する。
【００３０】
水素供給系における燃料電池スタック２０１の出口側には、パージ弁２１０及びパージ配管２１１が設けられている。パージ弁２１０は、通常は閉じられており、燃料電池スタック２０１の水詰まりや不活性ガスの蓄積等によるセル電圧の低下を検知すると開放される。水素循環配管２０５内には水素ガスを循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池スタック２０１の発電効率が低下する場合がある。そこで、燃料電池スタック２０１の出口側にパージ弁２１０やパージ配管２１１を設け、必要に応じてパージ弁２１０を開放して水素パージを行うことで、水素循環配管２０５内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。
【００３１】
燃料電池スタック２０１の空気供給系は、空気供給手段からの空気を空気極通路によって燃料電池スタック２０１の空気極へと導く。すなわち、実施形態１の空気供給系は、空気供給手段としての空気コンプレッサ２１２ならびに空気調圧弁２１３と、空気極通路となる空気供給配管２１４を有している。
【００３２】
空気コンプレッサ２１２は、燃料電池スタック２０１の空気極に空気を送り込むものであり、例えばモータ駆動により圧縮した空気を空気供給配管２１４を通して燃料電池スタック２０１の空気極へと供給する。空気コンプレッサ２１２には、コンプレッサの回転数を検出する回転数センサ２１６が設けられいる。
【００３３】
空気調圧弁２１３は、空気コンプレッサ２１２によって燃料電池スタック２０１に供給される空気の圧力を調整するものであり、燃料電池スタック２０１の空気極の出口側の排気管２１５に設けられている。空気調圧弁２１３は、燃料電池スタック２０１の空気極及び空気極通路内の圧力が負荷に応じた圧力になるように、空気コンプレッサ２１２によって供給される空気の圧力を調整している。
【００３４】
燃料電池スタック２０１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック２０１から排気管２１５ならびに空気調圧弁２１３を介して排出される。
【００３５】
上述した固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタック２０１は、適正な作動温度が８０℃前後と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。このため、通常は燃料電池スタック２０１内に冷却水を循環させて燃料電池スタック２０１を冷却し、燃料電池スタック２０１を最適な温度に維持する冷却機構（図示せず）が設けられている。
【００３６】
また、燃料電池システムは、電圧センサ２２３、ＰＭ（パワーマネージャー）２２４ならびにシステム制御部２２５（制御手段）を備えている。電圧センサ２２３は、燃料電池スタック２０１の各セルに設けられており、各セルの電圧を検出してシステム制御部２２５に与える。
【００３７】
ＰＭ２２４は、システム制御部２２５から与えられる制御指令に基づいて、燃料電池スタック２０１の発電で得られた電流の取り出しを制御し、燃料電池スタック２０１から取り出した電流を駆動モータ１０４や２次電池１０７等の負荷に供給する。ＰＭ２２４は、燃料電池スタック２０１から取り出される電流の値を検出する電流センサ（図示せず）を備え、この電流センサで検出された取り出し電流値はシステム制御部２２５に与えられる。
【００３８】
システム制御部２２５は、本燃料電池システム１０２の運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現され、例えば図１に示す制御コントローラ１０９の一部機能として実現される。システム制御部２２５は、本燃料電池システム１０２における上記各センサ類、ならびにこれらのセンサ類で得られない燃料電池システム１０２の運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、燃料電池システム１０２の各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における動作を含む、燃料電池システム１０２の運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００３９】
燃料電池システム１０２をアイドルストップ状態に移行する動作は、図３のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
【００４０】
図３において、先ず水素調圧弁２０３を閉じて燃料ガスの水素の供給を停止した後（ステップＳ３１）、燃料電池スタック２０１の水素の圧力が所定の圧力以下、例えば大気圧よりも低い所定の負圧にする減圧処理を行う（ステップＳ３２）。その後、水素圧が所定の圧力以下になったか否かを判別し（ステップＳ３３）、所定の圧力以下になると、減圧処理が終了したものとする（ステップＳ３４）。そして、パージ弁２１０を閉じて水素循環ポンプ２０６の駆動を停止し、空気コンプレッサ２１２の駆動を停止して空気の供給を停止し（ステップＳ３５）、冷却水を停止する（ステップＳ３６）。これにより、燃料電池スタック２０１の発電を停止し、燃料電池システムをアイドルストップ状態に移行する。
【００４１】
このように、燃料電池システムをアイドルストップ状態にすることで、水素循環ポンプ２０６や空気コンプレッサ２１２の補機類の運転を止め、燃費の向上に加えて、音振性能の向上、低消費電力化を図っている。
【００４２】
燃料電池システムのアイドルストップ状態を解除して発電を再開する手順は、図４に示すフローチャートにしたがって行われる。
【００４３】
図４において、先ず水素調圧弁２０３を開いて水素の供給を開始するとともに（ステップＳ４１）、空気コンプレッサ２１２を駆動し空気調圧弁２１３を開き空気の供給を開始する（ステップＳ４２）。その後、発電を開始するとともに（ステップＳ４３）、冷却水の供給を開始する（ステップＳ４４）。これにより、ＰＭ２２４の制御の下に燃料電池スタック２０１から電流が取り出され、燃料電池システム１０２はアイドルストップ状態から通常の発電状態に戻る。
【００４４】
次に、このようなアイドルストップ機能を備えた燃料電池システム１０２において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態にあるときの、燃料電池スタック２０１のカソード極への空気の供給制御について説明する。
【００４５】
図５はアイドルストップ状態における燃料電池システム１０２の空気供給系を構成する空気コンプレッサ２１２の制御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制御手順は、システム制御部２２５の制御の下に行われる。
【００４６】
図５において、先ず燃料電池スタック２０１の発電が停止して燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態であるか否かを判別する（ステップＳ５１）。判別の結果、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態である場合には、続いて、空気コンプレッサ２１２が稼動されているか否かを判別する（ステップＳ５２）。判別の結果、空気コンプレッサ２１２が稼動されていない場合には、引き続いて空気コンプレッサ２１２の稼動条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ５３）。
【００４７】
ここで、空気コンプレッサ２１２を稼動するか否かの判別要件は、様々に考えられるが、例えば燃料電池スタック２０１の各セルに設けられた電圧センサ２２３で検出された各セルのセル電圧の内、最小セル電圧（最小値）が所定の下限電圧（第１の所定電圧）に達したか否かとして設定される。この第１の所定電圧は、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態から通常の発電状態に復帰する際の、カソード極の空気不足による発電遅れや、ＰＭ２２４の仕様によって決まるＰＭ２２４の最低入力電圧を確保できる電圧に設定される。なお、セル電圧とカソード極の空気不足との関係は、予め実験や机上検討等によって取得し、取得した関係に基づいて、空気不足とならないセル電圧を設定する。
【００４８】
ステップＳ５３の判別の結果、空気コンプレッサ２１２の稼動条件が成立した場合には、空気調圧弁２１３を開放した後空気コンプレッサ２１２を稼動してカソード極に空気を供給する（ステップＳ５４）。これにより、図６のタイミングチャートに示すように、最小セル電圧は下降から上昇に転じる。
【００４９】
次に、図５に戻って、先のステップＳ５２の判別結果において、空気コンプレッサ２１２が稼動していると判別された場合には、続いて稼動している空気コンプレッサ２１２を停止する停止条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ５５）。
【００５０】
ここで、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するか否かの判別要件は、燃料電池スタック２０１の各セルに設けられた電圧センサ２２３で検出された各セルのセル電圧の内、最大セル電圧（最大値）が所定の上限電圧（第２の所定電圧）を超えないように設定される。したがって、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するか否かの判別要件は、例えば最大セル電圧が第２の所定電圧よりも低い値に設定された第３の所定電圧に達したか否かとして設定される。
【００５１】
上記第２の所定電圧は、カソード極に空気が供給されることでセル電圧が上昇してセルの劣化が促進されない最大の電圧として設定される。このセルの劣化が促進されない最大電圧は、それぞれの燃料電池スタック２０１を構成するセルの仕様によって様々であるので、予め実験や机上検討等を行って取得する。一方、第３の所定電圧は、空気コンプレッサ２１２を停止した直後の最大セル電圧の多少の上昇分を見込んで設定され、空気コンプレッサ２１２を停止する最大セル電圧と停止後の最大セル電圧の上昇分は、予め実験等により取得する。
【００５２】
ステップＳ５５の判別の結果、空気コンプレッサ２１２の停止条件が成立した場合には、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止してカソード極への空気の供給を停止する（ステップＳ５６）。これにより、図６に示すように、最大セル電圧は第２の所定電圧を上回ることなく上昇から低下に転じる。したがって、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における空気の供給制御において、セルの劣化を防止することが可能となる。
【００５３】
一方、先のステップＳ５１の判別結果において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態でない場合には、空気コンプレッサ２１２は通常運転時の制御が行われる（ステップＳ５７）。
【００５４】
空気コンプレッサ２１２は、図６に示すように、稼働後は所定の回転数で駆動制御されているが、図７のタイミングチャートに示すように、最大セル電圧が上記第２の所定電圧に近づくにしたがって空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々に低下させるようにしてもよい。このときに、最大セル電圧と第２の所定電圧との差分（第２の所定電圧−セル電圧最大値）と空気コンプレッサ２１２の回転数との関係は、例えば図８に示すような比例関係となり、上記差分が「０」になった時点で空気コンプレッサ２１２の回転数も「０」となるように上記両者の関係を設定する。
【００５５】
このように、空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々に低下させることで、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止するとほぼ同時に最大セル電圧も低下するので、最大セル電圧を第２の所定電圧を超えない直近まで上昇させてカソード極に十分空気を供給することが可能となる。
【００５６】
また、図９のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動を開始した後のセルの最も速い電圧上昇速度が、所定の速度以下となるように空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させるように空気コンプレッサ２１２を駆動制御する。すなわち、セル電圧の上昇速度が大きい場合には、空気コンプレッサ２１２の回転数を低下させる速度を速くする。このときに、最大セル電圧の単位時間あたりの上昇量（Ｖ／ｓｅｃ）と空気コンプレッサ２１２の回転数の減少量との関係は、例えば図１０に示すような比例関係となり、上記上昇量が「０」で上記減少量が「０」となるように上記両者の関係が設定される。
【００５７】
このような制御手法を採用することで、先の空気コンプレッサ２１２の回転数を徐々に低下させる制御手法を採用することで得られる効果と同様の効果を得ることが可能となる。
【００５８】
さらに、図６、図７ならびに図９のタイミングチャートに示す空気コンプレッサ２１２の制御手法では、稼働開始時に空気コンプレッサ２１２を所定の回転数までいっきに立ち上げているが、空気コンプレッサ２１２の回転数の上昇速度を所定の速度以下に抑えるようにしてもよい。これにより、停止していた空気コンプレッサ２１２が稼動した際に、空気コンプレッサ２１２の駆動音が急変することによる燃料電池車両の乗員への違和感を低減することができる。したがって、上記所定の速度は、一般的に乗員が違和感を感じない程度とし、予め実験等で確認して設定する。
【００５９】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。この実施形態２の特徴とするところは、先の実施形態１で説明した空気コンプレッサ２１２の制御に加えて、燃料電池スタック２０１の取り出し電流を制御したことにあり、燃料電池システム１０２の構成は図２と同様である。
【００６０】
図１１はアイドルストップ状態においてＰＭ２２４による電流取り出しの制御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制御手順は、ＰＭ２２４へのシステム制御部２２５の制御指令の下に行われる。
【００６１】
図１１において、先ず燃料電池スタック２０１の発電が停止して燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態であるか否かを判別する（ステップＳ１１１）。判別の結果、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態である場合には、続いて、ＰＭ２２４で燃料電池スタック２０１から電流が取り出されているか否かを判別する（ステップＳ１１２）。判別の結果、電流が取り出されていない場合には、引き続いて燃料電池スタック２０１から電流を取り出す取り出し条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ１１３）。
【００６２】
ここで、電流を取り出すか否かの判別要件は、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止して最大セル電圧が第２の所定電圧に達した否かとして設定される。この第２の所定電圧は、先の実施形態１で説明したものと同様である。
【００６３】
ステップＳ１１３の判別の結果、セルの最大電圧が上記第２の所定電圧に達して電流の取り出し要件が成立した場合には、ＰＭ２２４で燃料電池スタック２０１からＰＭ２２４で電流を取り出す（ステップＳ１１４）。空気コンプレッサ２１２を停止した後に、最大セル電圧が第２の所定電圧以上となる分を電流として取り出すことで、最大セル電圧を低下させて第２の所定電圧を超えないように制御する。
【００６４】
ここで、取り出す電流の値は、例えば燃料電池車両のアイドル時に燃料電池スタック２０１から取り出される電流値よりも小さい値に設定する。もしくは、電流を取り出すことで水素ガスのＳＲ（ストイキ比）が不足しない値に設定する。あるいは、電流を取り出すことによって電圧センサ２２３で検出された各セルのセル電圧のばらつきが予め実験等を行って決められた所定電圧以内となるような値に設定される。
【００６５】
これにより、図１２のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止しても燃料電池スタック２０１から電流を取り出すことで最大セル電圧の上昇が回避され、セル電圧がセルの劣化を促進する電圧を上回ることが防止できる。
【００６６】
次に、図１１に戻って、先のステップＳ１１２の判別結果において、電流が取り出されている場合には、続いて電流の取り出し停止要件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ１１５）。
【００６７】
電流を取り出した際の電流値は、最大セル電圧が第２の所定電圧を超える分だけの値となり、電流を取り出して最大セル電圧が第２の所定電圧以下になることで取り出し電流も０となる。したがって、電流の取り出しの停止要件は、最大セル電圧が第２の所定電圧以下になったことに設定される。あるいは、電流の取り出しの停止要件は、例えば予め実験等で決めた所定の時間が経過したことに設定される。
【００６８】
ステップＳ１１５の判別の結果、電流の取り出し停止要件が成立した場合には、電流の取り出しが停止される（ステップＳ１１６）。これにより、図１２のタイミングチャートに示すように、最大セル電圧は第２の所定電圧を上回ることなく低下に転じる。したがって、燃料電池システム１０２のアイドルストップ状態における空気の供給制御において、セルの劣化を防止することが可能となる。
【００６９】
一方、先のステップＳ１１１の判別結果において、燃料電池システム１０２がアイドルストップ状態でない場合には、ＰＭ２２４による電流の取り出しは通常運転時の制御が行われる（ステップＳ１１７）。
【００７０】
燃料電池スタック２０１からの電流の取り出しは、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止した後電流の取り出しを開始しているが、図１３のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止する前に電流の取り出しを開始し、電流の取り出しを開始した後取り出し電流を徐々に増加し、空気コンプレッサ２１２の稼動を停止した後取り出し電流が徐々に低下する制御手法を採用しても、上述したと同様の効果を得ることができる。
【００７１】
また、図１４のタイミングチャートに示すように、空気コンプレッサ２１２の稼働後最大セル電圧が第２の所定電圧に達したときに、空気コンプレッサ２１２の駆動を停止せずに電流を取り出すことで最大セル電圧の上昇を抑え、その後空気コンプレッサ２１２の駆動を停止し、停止後電流の取り出しを停止するような制御手法を採用しても、上述したと同様の効果を得ることができる。さらに、空気コンプレッサ２１２を稼動しているときの最大セル電圧の上昇速度が予め設定された所定の上昇速度以下となるように電流を取り出す制御手法を採用してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０１…車両本体
１０２…燃料電池システム
１０３…インバータ
１０４…駆動モータ
１０５…駆動輪
１０６…車速センサ
１０７…２次電池
１０８…リレー
１０９…制御コントローラ
１１１…シフト位置センサ
１１２…ブレーキセンサ
１１３…アクセル開度センサ
１１４，２２３…電圧センサ
１１５…電流センサ
２０１…燃料電池スタック
２０２…水素タンク
２０３…水素調圧弁
２０４…エゼクタ
２０５…水素循環配管
２０６…水素循環ポンプ
２０７…水素供給配管
２１０…パージ弁
２１１…パージ配管
２１２…空気コンプレッサ
２１３…空気調圧弁
２１４…空気供給配管
２１５…排気管
２１６…回転数センサ
２２４…ＰＭ（パワーマネージャー）
２２５…システム制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスの供給を停止し、前記燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの電圧を計測する電圧測手段と、
前記酸化剤ガス供給手段に電力を供給可能な電力供給源と、
前記燃料電池スタックの発電で得られた電流を前記燃料電池スタックから取り出す電流取り出し手段と、
前記燃料電池スタックの発電が停止し、かつ、前記酸化剤ガス供給手段の稼働が停止しているときに、所定の条件が成立すると前記電力供給源の電力により前記酸化剤ガス供給手段を再稼働させ、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧が前記燃料電池セルの劣化が促進されない電圧値である上限電圧値を越えないように、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧に応じて、前記酸化剤ガス供給手段を制御するとともに、前記燃料電池スタックの発電を再開しつつ前記電流取り出し手段による取り出し電流を制御する制御手段と
を有する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、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧が前記上限電圧に近づくにつれて前記電流取り出し手段で取り出す電流を増加させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段の再稼働後、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧が前記上限電圧を上回る前に、前記電流取り出し手段で電流を取り出し、その後、前記酸化剤ガス供給手段の稼働を停止し、その後、前記電流取り出し手段による電流の取り出しを停止する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを備え、電力の要求がない場合には、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスの供給を停止し、前記燃料電池スタックの発電を停止する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの電圧を計測する電圧測手段と、
前記酸化剤ガス供給手段に電力を供給可能な電力供給源と、
前記燃料電池スタックの発電で得られた電流を前記燃料電池スタックから取り出す電流取り出し手段と、
前記燃料電池スタックの発電が停止し、かつ、前記酸化剤ガス供給手段の稼働が停止しているときに、所定の条件が成立すると前記電力供給源の電力により前記酸化剤ガス供給手段を再稼働させ、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧が前記燃料電池セルの劣化が促進されない電圧値である上限電圧値を越えないように、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧に応じて、前記酸化剤ガス供給手段を制御するとともに、前記燃料電池スタックの発電を再開しつつ前記電流取り出し手段による取り出し電流を制御する制御手段と
を有する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、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧が前記上限電圧に近づくにつれて前記電流取り出し手段で取り出す電流を増加させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段の再稼働後、前記電圧計測手段で計測された前記燃料電池スタックの電圧が前記上限電圧を上回る前に、前記電流取り出し手段で電流を取り出し、その後、前記酸化剤ガス供給手段の稼働を停止し、その後、前記電流取り出し手段による電流の取り出しを停止する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−８９５２３（Ｐ２０１２−８９５２３Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８８５４２（Ｐ２０１１−２８８５４２）
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００５−３００６７６（Ｐ２００５−３００６７６）の分割
【原出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００５−３００６７６（Ｐ２００５−３００６７６）の分割
【原出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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