JP4696643B2 - 燃料電池システム、その制御方法及びそれを搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、その制御方法及びそれを搭載した車両に関する。

従来、燃料電池システムとしては、所定の条件を満たすときに燃料電池の発電運転の停止及び再始動を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載されたシステムでは、発電効率が低い運転条件であるときには燃料電池の発電運転を停止し、その後、発電の運転停止中の温度低下によって発生する燃料電池の内部の凝縮水量が所定値を超えたときには発電運転を再開する。このように、発電運転を停止することにより燃費を向上させる。また、凝縮水量が増えすぎる前に発電運転を再開するため再始動後の燃料電池の発電運転を安定した状態で行うことができる。
特開２００４−２２４６４号公報

しかしながら、この特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料電池の発電運転の停止後に得られる温度に基づいて発電運転を再開するため、発電運転の停止前の燃料電池の状態を十分考慮しておらず、燃料電池の発電運転の停止を継続することにより燃料電池の発電能力が予期していたものよりも低下してしまうことがあった。つまり、必ずしも燃料電池の状態に適した条件で発電運転の停止や発電運転の再開を行うことはできなかった。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。また、そのような燃料電池システムを搭載した車両を提供することを目的の一つとする。

本発明は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
前記燃料電池の発電運転を停止し該停止後に発電運転を再開する停止再始動運転の開始条件が成立したときには、前記燃料電池の発電運転中に前記状態検出手段によって検出された燃料電池の状態に基づいて前記燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定し該設定した実行条件で前記燃料電池の発電運転を制御する制御手段と、
を備えたものである。

この燃料電池システムでは、燃料電池の停止再始動運転の開始条件が成立したときには、燃料電池の発電運転中に状態検出手段によって検出された燃料電池の状態に基づいて燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定し該設定した実行条件で燃料電池の発電運転を制御する。このように、発電運転を停止する前の燃料電池の状態を把握してその後の発電運転の停止及び再始動の実行条件を設定する。したがって、燃料電池の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記実行条件として前記燃料電池の発電運転の停止時間を設定してもよい。ここで、「発電運転の停止時間」は、例えば、発電運転の停止により発電能力が低下しても発電運転を再開したあとの発電運転に支障がないような時間に設定してもよいし、発電の運転停止及び再始動の運転全体において得られる燃費の向上が最適になるような時間に設定してもよい。

あるいは、本発明の燃料電池システムは、
電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
前記燃料電池の発電運転を停止し該停止後に発電運転を再開する停止再始動運転の開始条件が成立したときには、前記燃料電池の発電運転中に前記状態検出手段によって検出された燃料電池の状態に基づいて前記停止再始動運転での燃料電池の発電運転の停止時間を設定し該設定した停止時間を限度として前記燃料電池の発電運転の停止を継続するように制御する制御手段と、
を備えたものとしてもよい。

この燃料電池システムでは、発電運転を停止する前の燃料電池の状態を把握してその後の発電運転の停止時間を設定し該設定した停止時間を限度として燃料電池の発電運転の停止を継続する。したがって、燃料電池の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の発電能力が低い状態であるときには前記停止時間が短くなるように前記実行条件を設定してもよい。こうすれば、燃料電池の発電能力が更に低下するのを抑制することができる。

前記実行条件として前記燃料電池の発電運転の停止時間を設定する態様を採用した本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記実行条件として更に前記燃料電池の発電運転を再開したのちに再度発電運転を停止するまでの再停止禁止時間を設定してもよい。こうすれば、燃料電池の状態に応じて設定した再停止禁止時間により、発電運転の停止及び再始動の頻繁な繰り返しを抑制することができる。ここで、「再停止禁止時間」は、例えば発電運転を停止することにより発電しにくくなった燃料電池の状態を回復するのに十分な時間として設定してもよい。このとき、前記制御手段は、前記設定した停止時間を限度として前記燃料電池の発電運転の停止を継続したあと前記燃料電池の発電運転を再開し前記設定した再停止禁止時間が経過するまでは前記燃料電池の発電運転を継続してもよい。また、このとき、前記燃料電池の発電能力が低い状態であるときには前記停止時間が短くなり且つ前記再停止禁止時間が長くなるように前記実行条件を設定してもよい。こうすれば、発電運転の再停止を抑制するため、燃料電池の発電能力が低下するのを確実に抑制することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手段は、前記燃料電池の電流−電圧特性に関するパラメータを検出してもよい。こうすれば、燃料電池の発電能力を示す重要な指標の１つである電流−電圧特性に関するパラメータに基づいて発電運転の停止及び再始動の実行条件を設定するため、より適切に発電運転の停止及び再始動を行うことができる。なお、燃料電池の電流−電圧特性に関するパラメータは、燃料電池の発電の運転停止中には得ることができないパラメータである。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、アノードとカソードとにより挟み込まれた電解質膜を備えており、前記状態検出手段は、前記電解質膜の湿潤状態に関するパラメータを検出してもよい。こうすれば、電解質膜の湿潤状態に関するパラメータに基づいて燃料電池の状態を検出することができる。このとき、前記状態検出手段は、前記電解質膜の湿潤状態に関するパラメータとして前記燃料電池のインピーダンスを検出してもよい。こうすれば、電解質膜の湿潤状態を示す重要な指標の１つである燃料電池のインピーダンスに基づいて発電運転の停止及び再始動の実行条件を設定するため、比較的容易に電解質膜の湿潤状態を検出し、より適切な発電運転の停止及び再始動を行うことができる。なお、前記燃料電池のインピーダンスは、運転停止中には得ることができないパラメータである。

本発明の車両は、上述した種々の態様のいずれかの燃料電池システムを搭載したものである。本発明の燃料電池システムは、燃料電池の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができるから、これを搭載した車両も同様の効果を奏するものとなる。

本発明の燃料電池システムの制御方法は、
電気化学反応により燃料電池が発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電運転を停止し該停止後に発電運転を再開する停止再始動運転の開始条件が成立したときには、前記燃料電池の発電運転中に検出された燃料電池の状態に基づいて前記燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定し、該設定した実行条件で前記燃料電池の発電運転を制御することを含むものである。

この燃料電池システムの制御方法では、燃料電池の停止再始動運転の開始条件が成立したときには、燃料電池の発電運転中に検出された燃料電池の状態に基づいて燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定し該設定した実行条件で燃料電池の発電運転を制御する。このように、発電運転を停止する前の燃料電池の状態を把握してその後の発電運転の停止及び再始動の実行条件を設定する。したがって、燃料電池の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。なお、この燃料電池システムの制御方法において、上述した燃料電池システムの種々の態様を採用してもよいし、また、上述した燃料電池システムの機能を実現するようなステップを追加してもよい。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池自動車２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は燃料電池３１の概略構成を示す説明図である。燃料電池自動車２０は燃料電池システム１２を搭載した車両であり、図１に示すように、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池３１が複数積層された燃料電池スタック３０と、電力を蓄電又は放電可能な蓄電装置４６と、電力ライン４８に接続されたインバータ４１と、燃料電池スタック３０の出力端子に接続された電力ライン４８の電圧を調整すると共に蓄電装置４６の充放電を行うＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、インバータ４１のスイッチング素子のスイッチングにより駆動制御され駆動軸６４と動力のやり取りを行う駆動用モータ４３と、燃料電池システム１２全体をコントロールする電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０とを備える。なお、駆動軸６４は、ディファレンシャルギア６２を介して駆動輪６３，６３に接続されており、駆動用モータ４３から出力された動力は最終的には、駆動輪６３，６３に出力されるようになっている。

燃料電池スタック３０は、固体高分子電解質型の単セルである燃料電池３１を複数積層したスタック構造を有し、高電圧電源（数百Ｖ）として機能する。図２に示すように、この燃料電池３１は、電解質膜３２をアノード３３及びカソード３４とで挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）３５を一対のセパレータ３６，３６で挟み込むことにより構成されている。電解質膜３２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換膜である。アノード３３及びカソード３４は、いずれも、白金又は白金と他の金属からなる合金を担持した触媒電極３３ａ，３４ａとカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極３３ｂ、３４ｂとにより構成されている。セパレータ３６，３６は、アノード３３又はカソード３４との間に燃料ガス流路３７、酸化ガス流路３８を形成している。この燃料電池３１は、水素タンク２２及びガス循環ポンプ２４より水素ガスがアノード３３に供給され、空気供給器２８より圧力が調節された圧縮空気がカソード３４に供給され、所定の電気化学反応が進行することにより水の生成を伴って起電力が生じる。なお、反応しなかった余剰水素はガス循環ポンプ２４に送られ燃料ガスとして再利用される（図１参照）。

燃料電池スタック３０には、図１に示すように各燃料電池３１から出力される電圧Ｖを検出する電圧計５４、燃料電池３１から出力される電流Ｉを検出する電流計５６、燃料電池スタック３０のインピーダンスを検出するインピーダンス検出器５８などが取り付けられている。これらのセンサは信号ラインによりＥＣＵ７０に接続されている。インピーダンス検出器５８は、燃料電池スタック３０の出力端子に微小の交流電流を印加したときの交流電圧からインピーダンスを求めるＡＣミリオームセンサである。燃料電池スタック３０のインピーダンスは、燃料電池３１の構成では、アノード３３やカソード３４，セパレータ３６に基づく抵抗と、電解質膜３２のプロトン伝導性に基づく抵抗とに大別される。アノード３３やカソード３４，セパレータ３６は導電性材料により形成されているため、湿潤状態か否かによってはそのインピーダンスがほとんど変化しない。一方、電解質膜３２は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示すものの、ドライアップのときにはプロトン伝導性が悪化する。したがって、燃料電池スタック３０のインピーダンスは、電解質膜３２の湿潤状態を反映することになる。なお、電圧計５４、電流計５６及びインピーダンス検出器５８が本発明の状態検出手段に相当する。

ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、時間を計測するタイマ７８と、入出力ポート（図示せず）とを備える。このＥＣＵ７０には、燃料電池スタック３０の出力端子間に取り付けられた電圧計５４からの出力電圧Ｖｆｃや燃料電池スタック３０の出力端子に取り付けられた電流計５６からの出力電流Ｉｆｃ，インピーダンス検出器５８からの燃料電池スタック３０のインピーダンスＺ，インバータ３４内に取り付けられた図示しない電流センサからの駆動用モータ４３に印加している各相の電流，駆動用モータ４３に取り付けられた図示しない角度センサからの駆動用モータ４３の回転子の回転角，車速センサ８８からの車速ｖ，シフトレバー８１の位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダルポジションＡＰ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰなどが入力ポートを介して入力されている。また、ＥＣＵ７０からは、ガス循環ポンプ２４への駆動信号やバルブ２６への制御信号，空気供給器２８への駆動信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ４２への制御信号，インバータ４１への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、ＥＣＵ７０が本発明の制御手段に相当する。

次に、本実施例の燃料電池システムの動作について説明する。図３は、燃料電池システムのＥＣＵ７０のＣＰＵ７２により実行される燃料電池制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、ＲＯＭ７４に記憶され、ＣＰＵ７２によりシステムが起動してから所定のタイミングごと（例えば数ｍｓｅｃごと）に繰り返し実行される。

この制御ルーチンが開始されると、ＣＰＵ７２は、まず再停止禁止フラグＦｐが１にセットされているか否かを判定する（ステップＳ１００）。この再停止禁止フラグＦｐは、後述する、燃料電池スタック３０の発電運転を停止し該停止後に発電運転を再開したあと再度発電運転を停止するまでの再停止禁止中に１にセットされるフラグであり、初期値はゼロに設定されている。再停止禁止フラグＦｐが１にセットされていないときには、運転停止実行フラグＦｓが１にセットされているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この運転停止実行Ｆｓは、燃料電池スタック３０の停止再始動運転の発電の運転停止中に１にセットされるフラグであり、初期値はゼロに設定されている。運転停止実行フラグＦｓが１にセットされていないときには、ＣＰＵ７２は、燃料電池スタック３０の発電運転の停止再始動運転の開始条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、停止再始動運転条件は、例えば燃料電池自動車２０が所定の低速範囲（例えば時速２０ｋｍ以下など）であり且つ要求発電量が低く且つ蓄電装置４６の蓄電量が十分あるときなど、燃料電池スタック３０の発電効率が所定の範囲を下回り燃料電池スタック３０を停止可能なときに成立する。

停止再始動運転の開始条件が成立していないときには、ＣＰＵ７２は、通常運転制御を実行し（ステップＳ１３０）、このルーチンを終了する。この通常運転制御では、シフトポジションＳＰ，アクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダルポジションＢＰ及び車速Ｖなどの各種情報を入力し、この各種情報に基づいて車両に要求される要求動力を計算し、該計算した要求動力が出力されるように燃料電池スタック３０の補機類（ガス循環ポンプ２４、空気供給器２８、インバータ４１及びＤＣ／ＤＣコンバータ４２など）を駆動・制御する。例えば、要求動力に見合うすべての電力が燃料電池スタック３０から出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御したり、要求動力に見合う電力が燃料電池スタック３０及び蓄電装置４６から出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御したり、要求動力と蓄電装置４６の充電に必要な電力との和に見合う電力が燃料電池スタック３０から出力されるように燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御したりする。

一方、ステップＳ１２０で、停止再始動運転の開始条件が成立しているときには、ＣＰＵ７２は、燃料電池スタック３０のインピーダンスＺ，出力電圧Ｖｆｃ，出力電流Ｉｆｃを入力し（ステップＳ１４０）、入力した各種情報に基づいて燃料電池スタック３０の発電運転を停止する運転停止時間ｔｓと運転停止から再開したあとに再停止することを禁止する再停止禁止時間ｔｐとを設定する。

ここで、運転停止時間ｔｓ及び再停止禁止時間ｔｐの設定について説明する。本実施例では、電流−電圧特性（ＩＶ特性）とインピーダンスＺとに基づいてこれらの値を設定する。図４は、燃料電池スタック３０のＩＶ特性の説明図である。実線が通常の発電能力のＩＶ特性を示しており、点線が発電能力が低下したときのＩＶ特性を示している。以下に、ＩＶ特性による運転停止時間ｔｓｉｖ及び再停止禁止時間ｔｐｉｖの設定について説明する。まず、発電運転を停止する前のＩＶ特性と発電運転の停止を継続する時間とこの時間を経過後に再始動したあとの燃料電池のＩＶ特性との関係を経験的に求める。次に、求めた結果に基づいて、発電運転の停止により発電能力が低下してもその後の発電運転に支障がない停止時間を求め、この時間を運転停止時間ｔｓｉｖとする。また、上記求めた結果に基づいて、発電運転の停止を運転停止時間ｔｓｉｖ実行することにより低下した発電能力を回復するのに十分な再始動後の運転時間を求め、この時間を再停止禁止時間ｔｐｉｖとする。そして、発電運転を停止する前のＩＶ特性と運転停止時間ｔｓｉｖ及び再停止禁止時間ｔｐｉｖとの関係をＩＶ特性−時間関係マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、このマップを用いてＩＶ特性による運転停止時間ｔｓｉｖ及び再停止禁止時間ｔｐｉｖを得る。このＩＶ特性−時間関係マップは、例えばＩＶ特性として出力電圧Ｖｆｃ及び出力電流Ｉｆｃから求めた燃料電池スタック３０の内部抵抗Ｒを用い、この内部抵抗Ｒと運転停止時間ｔｓｉｖとの関係により定めることができる。この内部抵抗Ｒは、いわゆる開放端子電圧（ＯＣＶ；Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）と出力電圧Ｖｆｃとの電圧差△Ｖと出力電流ＩｆｃとによりＲ＝△Ｖ／Ｉｆｃから求める。図５は、ＩＶ特性−時間関係マップの一例を示す説明図である。このマップは、発電運転停止前の燃料電池スタック３０の内部抵抗Ｒが高いとき（発電能力が低いとき）には運転停止時間ｔｓｉｖが短くなると共に再停止禁止時間ｔｐｉｖが長くなるように設定されている。また、このマップは、発電運転停止前の燃料電池スタック３０の内部抵抗Ｒが低いとき（発電能力が高いとき）には運転停止時間ｔｓｉｖが長くなると共に再停止禁止時間ｔｐｉｖが短くなるように設定されている。なお、ＩＶ特性−時間関係マップは、ＩＶ特性としての内部抵抗Ｒを用いずに、出力電圧Ｖｆｃ，出力電流Ｉｆｃ，運転停止時間ｔｓｉｖ及び再停止禁止時間ｔｐｉｖの関係を定めたものとしてもよい。

次に、燃料電池スタック３０のインピーダンスＺによる運転停止時間ｔｓｚ及び再停止禁止時間ｔｐｚの設定について説明する。まず、燃料電池スタック３０の発電運転を停止する前のインピーダンスＺと発電運転の停止を継続する時間とこの時間を経過後に再始動したあとの燃料電池のインピーダンスＺとの関係を経験的に求める。次に、求めた結果に基づいて、発電運転の停止により電解質膜３２の湿潤状態が変化してもその後の発電運転に支障がない湿潤状態となるような停止時間を求め、この時間を運転停止時間ｔｓｚとする。また、上記求めた結果に基づいて発電運転の停止を運転停止時間ｔｓｚ実行することにより変化した電解質膜３２の湿潤状態を適切な範囲にするのに十分な再始動後の運転時間を求め、この時間を再停止禁止時間ｔｐｚとする。そして、発電運転を停止する前のインピーダンスＺと運転停止時間ｔｓｚ及び再停止禁止時間ｔｐｚとの関係をインピーダンス−時間関係マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、このマップを用いてインピーダンスによる運転停止時間ｔｓｚ及び再停止禁止時間ｔｐｚを得る。図６は、燃料電池スタック３０がドライ状態を示すときのインピーダンス−時間関係マップの一例を示す説明図である。このマップは、インピーダンスＺが大きいとき（ドライ状態のとき）には発電運転によって生成する水により電解質膜３２を湿潤状態にさせるため、運転停止時間ｔｓｚが短くなるように設定されると共に再停止禁止時間ｔｐｚが長くなるように設定されている。

そして、ＣＰＵ７２は、ＩＶ特性による運転停止時間ｔｓｉｖとインピーダンスによる運転停止時間ｔｓｚとを求めたあと、これらの時間を比較し、短い方を運転停止時間ｔｓとして設定する。このとき、再停止禁止時間ｔｐは、採用した運転停止時間ｔｓに対応するものを設定する。このように、２以上のパラメータに基づいて求められた運転停止時間ｔｓｉｖ，ｔｓｚのうち燃料電池システム１２の発電能力が低くならないような実行条件を優先的に採用して設定する。また、発電運転を停止する前の燃料電池スタック３０の状態を把握して、その後の発電運転の停止再始動運転の実行条件を設定する。

さて、ステップＳ１５０で運転停止時間ｔｓ及び再停止禁止時間ｔｐを設定したあと、ＣＰＵ７２は、運転停止実行フラグＦｓを１にセットし運転停止時間ｔｓ及び再停止禁止時間ｔｐを計測するタイマ７８をスタートさせると共に燃料電池スタック３０の停止再始動運転の実行を開始する（ステップＳ１６０）。ここで、停止再始動運転は、燃料ガス供給用のバルブ２６を閉じて水素タンク２２からの燃料ガスの供給を停止すると共に燃料電池スタック３０の補機類の駆動・制御を停止して燃料電池スタック３０の発電運転を停止することにより開始される。

続いて、ステップＳ１１０で運転停止実行フラグＦｓが１にセットされているときには、ＣＰＵ７２は、発電運転の停止の終了条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ここで、発電運転の停止の終了条件は、運転停止時間ｔｓが終了したとき及び上述した停止再始動運転条件が解除されたときに成立する。つまり、運転停止時間ｔｓを限度として発電運転の停止を継続する。停止再始動運転条件は、例えば発電運転の停止中にアクセルペダル８３が踏み込まれることにより要求発電量が増加したり、蓄電装置４６の蓄電量が少なくなったときなどに解除される。なお、運転停止時間ｔｓが終了したか否かの判定はタイマ７８のカウント値に基づいて行う。ステップＳ１７０で発電運転の停止の終了条件が成立していないときには、ＣＰＵ７２は、そのままこのルーチンを終了する。つまり、発電運転の停止を継続する。一方、発電運転の停止の終了条件が成立しているときには、ＣＰＵ７２は、運転停止実行フラグＦｓをゼロにリセットすると共に再停止禁止フラグＦｐを１にセットし（ステップＳ１８０）、上述した通常運転制御を実行し（ステップＳ１３０）、このルーチンを終了する。つまり、燃料電池スタック３０の補機類を駆動・制御し燃料電池スタック３０の発電運転を再開する。なお、発電運転の停止中に停止再始動運転条件が解除されたときには（ステップＳ１７０）、運転停止時間ｔｓを経過する前であっても停止再始動運転の実行を終了し通常運転制御を実行する（ステップＳ１３０）。

そして、ステップＳ１００で再停止禁止フラグＦｐが１にセットされているときには、ＣＰＵ７２は、再停止禁止時間ｔｐが終了したか否かをタイマ７８のカウント値に基づいて判定し（ステップＳ１９０）、再停止禁止時間ｔｐが終了していないときには、通常運転制御を実行し（ステップＳ１３０）、このルーチンを終了する。つまり、燃料電池スタック３０の発電運転を再開したあと再停止禁止時間ｔｐが経過するまでは発電運転を継続させる。一方、再停止禁止時間ｔｐが終了したときには、ＣＰＵ７２は、再停止禁止フラグＦｐをゼロにリセットすると共にタイマ７８をリセットし（ステップＳ２００）、通常運転制御を実行し（ステップＳ１３０）、このルーチンを終了する。このように、ステップＳ１７０で運転停止時間ｔｓを経過する前に停止再始動運転の実行を終了した場合であっても、再停止禁止時間ｔｐが終了するまで通常運転制御を継続して実行することによって、安定した発電運転を確保する（ステップＳ１００，Ｓ１３０，Ｓ１９０，Ｓ２００）。

以上詳述した本実施例の燃料電池自動車２０によれば、燃料電池スタック３０の停止再始動運転の開始条件が成立したときには、燃料電池スタック３０の状態に基づいて燃料電池スタック３０の停止再始動運転の実行条件を設定し該設定した実行条件で発電運転を制御する。このように、発電運転を停止する前の燃料電池スタック３０の状態を把握してその後の発電運転の停止及び再始動の実行条件を設定するため、燃料電池スタック３０の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

また、燃料電池スタック３０の発電運転停止前の発電能力が低い状態であるときには運転停止時間ｔｓが短くなるように設定するため、燃料電池スタック３０の発電能力が更に低下するのを抑制することができる。あるいは、燃料電池スタック３０の発電運転停止前の発電能力が高い状態であるときには運転停止時間ｔｓが長くなるように設定するため、燃費を向上することができる。更に、再停止禁止時間ｔｐを設定するため、発電運転の停止及び再始動の頻繁な繰り返しを抑制することができる。更にまた、燃料電池スタック３０の発電運転停止前の発電能力が低い状態であるときには再停止禁止時間ｔｐが長くなるように実行条件を設定するため、発電運転の再停止を抑制して発電能力が低下するのを確実に抑制することができる。あるいは、発電運転停止前の発電能力が高い状態であるときには再停止禁止時間ｔｐが短くなるように実行条件を設定するため、停止再始動運転の頻度を多くして燃費を向上することができる。したがって、燃料電池スタック３０の発電能力の低下を許容範囲内に維持すると共に燃費を向上することができる。

更に、発電運転の停止前に実行条件を設定するため、燃料電池スタック３０の運転停止中には得ることができない発電能力に関するパラメータの１つであるＩＶ特性を用いて停止再始動運転の実行条件を設定することができる。このため、適切な発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

更にまた、発電運転の停止前に実行条件を設定するため、燃料電池スタック３０の運転停止中には得ることができない発電能力に関するパラメータの１つであるインピーダンスを用いて停止再始動運転の実行条件を設定することができる。このため、燃料電池スタック３０のインピーダンスを用いて比較的容易に電解質膜３２の湿潤状態を検出し、適切な発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

そして、燃料電池スタック３０の状態を表す複数のパラメータ（ＩＶ特性及びインピーダンス）に基づいて求められた運転停止時間ｔｓｉｖ，ｔｓｚのうち短い時間を実行条件として優先的に採用して停止再始動運転を実行するため、安定した状態を維持しながら燃料電池システム１２の発電運転を行うことができる。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施例では、燃料電池スタック３０の状態を表すものとしてＩＶ特性及びインピーダンスを用いて停止再始動運転の実行条件を設定するとしたが、いずれか一方のみを設定してもよい。こうしても、燃料電池スタック３０の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。また、燃料電池スタック３０の状態を表すものとして、燃料電池スタック３０の温度に関するパラメータを用いて停止再始動運転の実行条件を設定してもよい。例えば、発電運転停止前の燃料電池スタック３０の温度が低いときには、スタック内部の水分が多くなるため、運転停止時間ｔｓが短くなるように設定すると共に再停止禁止時間ｔｐが長くなるように設定する。一方、発電運転停止前の燃料電池スタック３０の温度が高いときには、運転停止によってスタックの温度を低下可能であるため、運転停止時間ｔｓが長くなるように設定すると共に再停止禁止時間ｔｐが短くなるように設定する。なお、燃料電池スタック３０の温度に関するパラメータとしては、スタックの実際の温度やスタックの冷却水温などが挙げられる。こうしても、燃料電池スタック３０の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

あるいは、燃料電池スタック３０の状態を表すものとして、例えば燃料電池スタック３０の燃料ガスに関するパラメータを用いて停止再始動運転の実行条件を設定してもよい。例えば、発電運転停止前の燃料電池スタック３０のアノード３３の窒素濃度が高い（水素濃度が低い）ときには、再始動時には更に発電しにくい状態になることから発電運転停止中のカソード３４からの窒素のクロスリークを抑制する必要があるため、運転停止時間ｔｓが短くなるように設定すると共に再停止禁止時間ｔｐが長くなるように設定する。一方、発電運転停止前の燃料電池スタック３０のアノード３３の窒素濃度が低い（水素濃度が高い）ときには、発電運転停止中のカソード３４からの窒素のクロスリークがある程度許容されるため、運転停止時間ｔｓが長くなるように設定すると共に再停止禁止時間ｔｐが短くなるように設定する。なお、燃料電池スタック３０の燃料ガスに関するパラメータとしては、燃料ガス流路３７の水素濃度や窒素濃度や酸素濃度などが挙げられる。こうしても、燃料電池スタック３０の状態に適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

また、上述した実施例では、燃料電池スタック３０全体の出力電圧Ｖｆｃ及び出力電流Ｉｆｃを検出して実行条件を設定するとしたが、各単セルである燃料電池３１の各電圧Ｖｃ及び電流Ｉｃを検出して実行条件を設定してもよいし、複数積層された燃料電池３１の中から選ばれた１以上の燃料電池３１の電圧を検出して実行条件を設定してもよいし、幾つかの燃料電池３１をまとめた単電池モジュールの電圧を検出して実行条件を設定してもよい。このとき、検出した中で最も発電能力が低下しているものに基づいて実行条件を設定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック３０の状態に一層適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

更に、上述した実施例では、燃料電池スタック３０全体のインピーダンスＺを検出して実行条件を設定するとしたが、各単セルの燃料電池３１のインピーダンスを検出して実行条件を設定してもよいし、複数積層された燃料電池３１の中から選ばれた１以上の燃料電池３１のインピーダンスを検出して実行条件を設定してもよいし、幾つかの燃料電池３１をまとめた単電池モジュールのインピーダンスを検出して実行条件を設定してもよい。このとき、検出した中で最も発電能力が低下しているものに基づいて実行条件を設定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック３０の状態に一層適した条件で発電運転の停止及び再始動を行うことができる。

更にまた、上述した実施例では、燃料電池の出力電流Ｉｆｃと出力電圧Ｖｆｃとに基づいてＩＶ特性を求めたが、ＩＶ特性は水素ガス濃度、燃料電池温度Ｔｆｃ、燃料電池の冷却水温、酸化ガス流量等にも依存して変化するため、これらのパラメータを電流や電圧に代えて又は加えてＩＶ特性を求めるようにしてもよい。

そして、上述した実施例では、発電運転の停止により発電能力が低下してもその後の発電運転に支障がない停止時間をＩＶ特性による運転停止時間ｔｓｉｖとするとしたが、発電の運転停止及び再始動後の運転全体において得られる燃費の向上が最適になるような停止時間を運転停止時間ｔｓｉｖとしてもよい。運転停止時間ｔｓｉｖを長くすると運転停止によって燃費が向上するが、その分、発電能力の低下が起きるためその後の発電運転で燃費が悪化することがある。したがって、停止再始動運転の全体で燃費が向上するような運転停止時間ｔｓｉｖを求めてもよい。

そしてまた、上述した実施例では、自動車に搭載した燃料電池システム１２について説明したが、同様の燃料電池システムを列車などの他の車両や船舶や航空機などの移動体に搭載してもよいし、据え置き型のシステム（例えばコジェネレーションシステムなど）に組み込んでもよい。

本実施例の燃料電池自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 本実施例の燃料電池３１の概略構成を示す説明図である。 本実施例の燃料電池制御ルーチンのフローチャートである。 本実施例の燃料電池スタック３０のＩＶ特性の説明図である。 本実施例のＩＶ特性−時間関係マップの説明図である。 本実施例のインピーダンス−時間関係マップの説明図である。

符号の説明

１２ 燃料電池システム、２０ 燃料電池自動車、２２ 水素タンク、２４ ガス循環ポンプ、２６ バルブ、２８ 空気供給器、３０ 燃料電池スタック、３１ 燃料電池、３２ 電解質膜、３３ アノード、３４ カソード、３３ａ，３４ａ 触媒電極、３３ｂ，３４ｂ ガス拡散電極、３５ ＭＥＡ、３６ セパレータ、３７ 燃料ガス流路、３８ 酸化ガス流路、４１ インバータ、４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４３ 駆動用モータ、４６ 蓄電装置、４８ 電力ライン、５４ 電圧計、５６ 電流計、５８ インピーダンス検出器、６２ ディファレンシャルギア、６３ 駆動輪、６４ 駆動軸、７０ ＥＣＵ、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、７８ タイマ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ。

Claims (9)

1. 電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
   前記燃料電池の発電運転を停止し該停止後に発電運転を再開する停止再始動運転の開始条件が成立したときには、前記燃料電池の発電運転中に前記状態検出手段によって検出された燃料電池の状態に基づいて前記燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定し該設定した実行条件で前記燃料電池の発電運転を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記実行条件として前記燃料電池の発電運転の停止時間を、前記燃料電池の発電能力が低い状態であるときには前記停止時間が短くなるように設定し該設定した停止時間を限度として前記燃料電池の発電運転の停止を継続するように制御する、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記実行条件として更に前記燃料電池の発電運転を再開したのちに再度発電運転を停止するまでの再停止禁止時間を設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記設定した停止時間を限度として前記燃料電池の発電運転の停止を継続したあと前記燃料電池の発電運転を再開し前記設定した再停止禁止時間が経過するまでは前記燃料電池の発電運転を継続する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電能力が低い状態であるときには前記停止時間が短くなり且つ前記再停止禁止時間が長くなるように前記実行条件を設定する、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記状態検出手段は、前記燃料電池の電流−電圧特性に関するパラメータを検出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池は、アノードとカソードとにより挟み込まれた電解質膜を備えており、
   前記状態検出手段は、前記電解質膜の湿潤状態に関するパラメータを検出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記状態検出手段は、前記電解質膜の湿潤状態に関するパラメータとして前記燃料電池のインピーダンスを検出する、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載した車両。
9. 電気化学反応により燃料電池が発電する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の発電運転を停止し該停止後に発電運転を再開する停止再始動運転の開始条件が成立したときには、前記燃料電池の発電運転中に検出された燃料電池の状態に基づいて前記燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定し、該設定した実行条件で前記燃料電池の発電運転を制御するステップ、を含み、
   前記ステップでは、前記実行条件として前記燃料電池の発電運転の停止時間を、前記燃料電池の発電能力が低い状態であるときには前記停止時間が短くなるように設定し該設定した停止時間を限度として前記燃料電池の発電運転の停止を継続するように制御する、
   燃料電池システムの制御方法。

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