JP6198146B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギを電気エネルギに直接変換する発電システムである。かかる燃料電池システムで発電を行うと、電気化学反応により燃料電池内部で水分が生成されるが、この水分が燃料電池内部の反応ガス流路に滞留して、反応ガスの流れが妨げられる場合がある。また、氷点下等の低温環境下で燃料電池システムを運転させる際には、燃料電池の電極（触媒層や拡散層）の内部に残存する水分が凍結して、始動性能が著しく低下する場合がある。

このように燃料電池内部で生成される水分に起因する種々の問題を解決するため、現在においては、燃料電池の運転停止時に反応ガス流路に乾燥酸素や乾燥水素を供給することにより、燃料電池内部のガス流路や燃料電池システムのバルブ等に付着している水分を低減させる掃気処理を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術によれば、外気温や燃料電池温度に応じて掃気処理のタイミングを調整することができる、とされている。

特開２０１３−２１１１６３号公報

ところで、特許文献１に記載されたような燃料電池停止期間中における自動掃気処理を実施する場合には、使用者の操作によって自動掃気処理を中断させるための仕組みをシステムに組み込むことが法規制により求められている。このように使用者の操作（例えばイグニッションのＯＮ操作やタンクリッドの開操作）により自動掃気処理が中断された場合に、中断直後に掃気処理が再開されると、使用者は自分の操作に反する処理を燃料電池システムが行ったという印象を受け、違和感を覚える恐れがある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転停止期間中における掃気処理が使用者の操作により中断された場合においても、使用者に違和感を与えることなく掃気処理を再開させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池にガスを供給するガス供給系と、ガス供給系を制御する制御装置と、を備えるものであって、制御装置は、燃料電池の運転停止期間中にガス供給系を制御して掃気処理を実行させる一方、掃気処理が使用者の操作により中断した場合に、掃気中断時間が所定時間を超えたときにガス供給系を制御して掃気処理を再開させるものである。

また、本発明に係る制御方法は、燃料電池の運転停止期間中に掃気処理を実行させる燃料電池システムの制御方法であって、掃気処理が使用者の操作により中断した場合に、掃気中断時間が所定時間を超えたときに掃気処理を再開させるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池の運転停止期間中に実行された掃気処理が使用者の操作により中断した場合に、掃気中断時間が所定時間を超えたときに掃気処理を再開させることができる。従って、掃気処理が中断直後に再開されるのを防ぐことができ、使用者に違和感を与える（燃料電池システムが自分の操作に反する処理を行ったという印象を使用者に抱かせる）ことなく掃気処理を実行することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止期間中に外気温を検出する外気温検出部を備えることができる。かかる場合において、外気温検出部で検出された外気温が所定温度未満となった場合に掃気処理を実行させる制御装置を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池の運転停止期間中に外気温が低下した（例えば摂氏零度未満となった）場合に自動的に掃気処理を実行させることができる。従って、低温環境下において運転停止中の燃料電池内部の水分量を低減させることができ、外気温の低下に伴って燃料電池内部の水分が凍結して起動性が低下するという事態が発生するのを防ぐことができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間を、外気温検出部で検出された外気温に応じて設定する制御装置を採用することができる。

かかる構成を採用すると、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間（掃気中断時間）を、外気温に応じて設定することができる。従って、例えば、外気温が比較的低い場合には、掃気中断時間を比較的短く設定して比較的早い時期に掃気を再開させることができるので、外気温の低下に伴う燃料電池内部の水分の凍結を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間を、使用者による特定の操作態様に応じて設定する制御装置を採用することができる。

かかる構成を採用すると、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間（掃気中断時間）を、使用者の操作態様に応じて設定することができる。従って、使用者が操作場所から比較的早期に立ち去ることが想定されるような操作態様が特定された場合（例えば、使用者がイグニッションのＯＮ操作を行って掃気処理を中断させた直後にイグニッションのＯＦＦ操作を行った場合や、使用者がタンクリッドの開操作を行って掃気処理を中断させた直後にタンクリッドの閉操作を行った場合）には、掃気中断時間を比較的短く設定して比較的早い時期に掃気を再開させることができる。一方、使用者が操作場所に比較的長い時間留まることが想定されるような操作態様が特定された場合（例えば、使用者がイグニッションのＯＮ操作を行って掃気処理を中断させたまま所定時間以上イグニッションのＯＦＦ操作を行わない場合や、使用者がタンクリッドの開操作を行って掃気処理を中断させたまま所定時間以上タンクリッドの閉操作を行わない場合）には、掃気中断時間を比較的長く設定して掃気の再開を遅れさせることができる。

本発明によれば、燃料電池の運転停止期間中における掃気処理が使用者の操作により中断された場合においても、使用者に違和感を与えることなく掃気処理を再開させることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。

以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。燃料電池システム１０は、例えば移動体としての燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御する制御装置６０と、を備えている。

燃料電池２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２０では、アノード電極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において（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）

燃料電池２０を構成するセルは、高分子電解質膜と、アノード電極と、カソード電極と、セパレータとから構成されている。アノード電極及びカソード電極は、高分子電解質膜を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成している。セパレータは、ガス不透過の導電性部材から構成され、アノード電極及びカソード電極を両側から挟みつつ、アノード電極及びカソード電極との間に各々燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成している。

アノード電極及びカソード電極は、各々、触媒層と、ガス拡散層と、を有している。触媒層は、触媒として機能する例えば白金系の貴金属粒子を担持した触媒担持カーボンと、高分子電解質と、を有している。貴金属粒子の白金系の材料として、例えば金属触媒（Ｐｔ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕ等）を用いることができる。触媒担持カーボンとしては、例えばカーボンブラックを用いることができる。高分子電解質としては、プロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いることができる。ガス拡散層は、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持ち、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー又はカーボンフェルトにより形成されている。

高分子電解質膜は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜、アノード電極及びカソード電極によって膜−電極アセンブリが形成されている。

図１に示すように燃料電池２０には、燃料電池２０の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ７１と、出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ７２と、が取り付けられている。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード電極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３３と、燃料電池２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４と、を有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１と、が設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池２０からの酸化オフガスの排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、が設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０のアノード電極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に還流させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６と、を有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２０に供給される。

循環通路４４には、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６が接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ３が配設されている。排気排水弁Ｈ３は、制御装置６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。

排気排水弁Ｈ３を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、図示していない希釈器によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、バッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、補機類５５と、を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池２０が発電した直流電力又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能と、を有する。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池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、等として機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、その残容量であるＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。

トラクションインバータ５３は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、制御装置６０からの制御指令に従って、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータや、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ３２、インジェクタ４２、循環ポンプ４５、ラジエータ、冷却水循環ポンプ等）を総称するものである。

制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、制御装置６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや車速センサから出力される車速信号ＶＣ等に基づいて、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

補機電力には、車載補機類（エアコンプレッサ３２、循環ポンプ４５、冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。

制御装置６０は、燃料電池２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。

燃料電池システム１０の運転時には、燃料電池２０において、上述の（１）式に示すように、アノード電極で生成された水素イオンが電解質膜を透過してカソード電極に移動し、カソード電極に移動した水素イオンは、上述の（２）式に示すように、カソード電極に供給されている酸化ガス中の酸素と電気化学反応を起こし、酸素の還元反応を生じさせ、水を生成する。

また、制御装置６０は、燃料電池２０の運転停止期間中に外気温を検出する温度センサ（外気温検出部）７５に接続されている。制御装置６０は、温度センサ７５で検出された外気温に関する情報の入力を受けて、燃料電池２０の運転停止期間中に掃気処理を実行させる。具体的には、制御装置６０は、温度センサ７５で検出された外気温が所定温度（例えば摂氏零度）未満となった場合に、エアコンプレッサ３２、遮断弁Ａ１、遮断弁Ｈ１、レギュレータＨ２、インジェクタ４２等を駆動制御して燃料電池２０内にガス（酸化ガス及び燃料ガス）を供給することにより、燃料電池２０内の水分を外部に排出する「掃気処理」を実行する。制御装置６０による掃気処理の継続時間（掃気継続時間）は、予め設定しておくことができる。

また、制御装置６０は、掃気処理中に使用者の特定の操作（例えばイグニションのＯＮ操作やタンクリッドの開操作）を検出した場合に、掃気処理を中断するように遮断弁Ａ１や遮断弁Ｈ１等を制御する。そして、制御装置６０は、掃気処理を使用者の操作により中断した場合に、掃気中断時間が所定時間を超えたときに掃気処理を再開させる。

本実施形態における制御装置６０は、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間（掃気中断時間）を、温度センサ７５で検出された外気温に応じて設定するようにしている。例えば、制御装置６０は、温度センサ７５で検出された外気温が所定の判定温度（例えば摂氏マイナス３０度）以上である場合に、掃気中断時間を一定時間（例えば１０分間）に設定する。一方、制御装置６０は、温度センサ７５で検出された外気温が上記判定温度を下回る場合に、掃気中断時間を上記一定時間よりも短い時間（例えば５分間）に設定する。

次に、図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の掃気処理に関する制御方法について説明する。

燃料電池システム１０の通常運転時においては、燃料ガス供給源４１から燃料ガスが燃料ガス通路４３を介して燃料電池２０のアノード電極に供給されるとともに、酸化ガスが酸化ガス通路３３を介して燃料電池２０のカソード電極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池２０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置６０で演算され、その発電量に応じた量の燃料ガス及び酸化ガスが燃料電池２０内に供給されるようになっている。通常運転時においては燃料電池２０内が湿潤状態となっているため、運転を停止させると燃料電池２０内に水分が残留する。このため、本実施形態においては、低温環境下における燃料電池２０内の水分の凍結を抑制するために、通常運転の停止期間中に掃気処理を実行する。

まず、燃料電池システム１０の制御装置６０は、温度センサ７５を介して検出した外気温が所定温度未満であるか否かを判定する（外気温判定工程：Ｓ１）。制御装置６０は、検出した外気温が所定温度未満であると判定した場合には、エアコンプレッサ３２やインジェクタ４２等を駆動して燃料電池２０内にガス（酸化ガス及び燃料ガス）を供給することにより、燃料電池２０内の水分を外部に排出する掃気処理を開始する（掃気開始工程：Ｓ２）。一方、制御装置６０は、検出した外気温が所定温度以上であると判定した場合には、掃気処理を行わずに制御を終了する。

次いで、制御装置６０は、掃気処理中に使用者が特定の操作（例えばイグニションのＯＮ操作やタンクリッドの開操作）を行ったか否かを判定する（操作判定工程：Ｓ３）。制御装置６０は、掃気処理中に使用者が特定の操作を行ったものと判定した場合に、遮断弁Ａ１や遮断弁Ｈ１等を制御して掃気処理を中断する（掃気中断工程：Ｓ４）。一方、制御装置６０は、掃気処理中において使用者の特定の操作を検出しない場合には、所定の終了条件が満たされるまで掃気処理を続行する（掃気続行工程：Ｓ５）。

掃気処理中に使用者が特定の操作を行ったことを検出して掃気処理を中断させた制御装置６０は、掃気中断時間が予め設定した時間（例えば温度センサ７５で検出した外気温に応じて設定した時間）を超えたか否かを判定する（中断時間判定工程：Ｓ６）。そして、制御装置６０は、掃気中断時間が所定時間を超えたものと判定した場合には、エアコンプレッサ３２やインジェクタ４２等を再駆動して掃気処理を再開させる（掃気再開工程：Ｓ７）。

その後、制御装置６０は、所定の終了条件が満たされたか否かを判定し（終了判定工程：Ｓ８）、終了条件が満たされていないと判定した場合には掃気処理を続行する。一方、制御装置６０は、所定の終了条件が満たされたものと判定した場合に掃気処理を終了する。終了条件としては、（１）予め設定した掃気継続時間（例えば５分間）が経過すること、（２）温度センサ７５で検出した外気温が所定温度以上となったこと、等を採用することができる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池２０の運転停止期間中に実行された掃気処理が使用者の操作により中断した場合に、中断時から所定時間経過後に掃気処理を再開させることができる。従って、掃気処理が中断直後に再開されるのを防ぐことができ、使用者に違和感を与える（燃料電池システム１０が自分の操作に反する処理を行ったという印象を使用者に抱かせる）ことなく掃気処理を実行することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池２０の運転停止期間中に外気温が低下した（例えば摂氏零度未満となった）場合に自動的に掃気処理を実行させることができる。従って、低温環境下において運転停止中の燃料電池２０内部の水分量を低減させることができ、外気温の低下に伴って燃料電池２０内部の水分が凍結して起動性が低下するという事態が発生するのを防ぐことができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間（掃気中断時間）を、外気温に応じて設定することができる。従って、外気温が比較的低い場合には、掃気中断時間を比較的短く設定して比較的早い時期に掃気を再開させることができるので、外気温の低下に伴う燃料電池２０内部の水分の凍結を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、掃気中断時間を外気温に応じて設定した例を示したが、掃気中断時間の設定方法はこれに限られるものではない。例えば、制御装置６０が使用者の操作態様を特定し、特定した使用者の操作態様に応じて掃気中断時間を設定することもできる。

このような構成を採用すると、掃気中断時間を、使用者の操作態様に応じて設定することができる。例えば、使用者が操作場所から比較的早期に立ち去ることが想定されるような操作態様が特定された場合（使用者がイグニッションのＯＮ操作を行って掃気処理を中断させた直後にイグニッションのＯＦＦ操作を行った場合や、使用者がタンクリッドの開操作を行って掃気処理を中断させた直後にタンクリッドの閉操作を行った場合）には、掃気中断時間を比較的短く設定して比較的早い時期に掃気を再開させることができる。一方、使用者が操作場所に比較的長い時間留まることが想定されるような操作態様が特定された場合（例えば、使用者がイグニッションのＯＮ操作を行って掃気処理を中断させたまま所定時間以上イグニッションのＯＦＦ操作を行わない場合や、使用者がタンクリッドの開操作を行って掃気処理を中断させたまま所定時間以上タンクリッドの閉操作を行わない場合）には、掃気中断時間を比較的長く設定して掃気の再開を遅れさせることができる。

また、本実施形態においては、移動体として「燃料電池車両」を例示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０…燃料電池システム
６０…制御装置
７５…温度センサ（外気温検出部）

Claims (5)

1. 燃料電池と、前記燃料電池にガスを供給するガス供給系と、前記ガス供給系を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池の運転停止期間中に前記ガス供給系を制御して掃気処理を実行させる一方、掃気処理が使用者の操作により中断した場合に、掃気中断時間が所定時間を超えたときに前記ガス供給系を制御して掃気処理を再開させる、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の運転停止期間中に外気温を検出する外気温検出部を備え、
   前記制御装置は、前記外気温検出部で検出された外気温が所定温度未満となった場合に掃気処理を実行させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間を、前記外気温検出部で検出された外気温に応じて設定する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、使用者の操作による掃気処理の中断から掃気処理の再開までに要する時間を、使用者による特定の操作態様に応じて設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池の運転停止期間中に掃気処理を実行させる燃料電池システムの制御方法であって、
   掃気処理が使用者の操作により中断した場合に、掃気中断時間が所定時間を超えたときに掃気処理を再開させる、燃料電池システムの制御方法。

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