燃料電池システム
【課題】アイドルストップ中に再起動に備えて空気供給を行う際に、各セルに過不足なく空気を供給する。
【解決手段】セル電圧またはセル群電圧を検出する電圧検出部１１と、電圧検出部の検出結果に基づいて電圧状態を演算するセル電圧演算部２１と、セル電圧演算部２１の演算結果に基づいてアイドルストップ中にカソードへ間欠供給する空気供給量の前回値が過多、不足、または適当のいずれかを判定する演算結果判定部２２と、演算結果判定部２２の判定結果に応じて空気供給量を予め設定した固定値または前回供給量に対して減量、増量、または維持するよう決定する供給空気量決定部２３と、を備える。
【解決手段】セル電圧またはセル群電圧を検出する電圧検出部１１と、電圧検出部の検出結果に基づいて電圧状態を演算するセル電圧演算部２１と、セル電圧演算部２１の演算結果に基づいてアイドルストップ中にカソードへ間欠供給する空気供給量の前回値が過多、不足、または適当のいずれかを判定する演算結果判定部２２と、演算結果判定部２２の判定結果に応じて空気供給量を予め設定した固定値または前回供給量に対して減量、増量、または維持するよう決定する供給空気量決定部２３と、を備える。
【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空気供給制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池と二次電池を搭載し、これらを適宜使い分けて走行用モータへ電力供給を行い走行する燃料電池車両が知られている。このような燃料電池車両において、燃料ガスを効率的に利用するために、例えば低負荷走行時等に、燃料電池による発電を停止して二次電池のみによってモータを駆動する、いわゆるアイドルストップを実行する場合がある。
【０００３】
しかし、アイドルストップ中に燃料電池への空気供給を停止し続けると、燃料電池の電圧が低下する。電圧の低下代が大きいほど、負荷増大等により燃料電池を再起動する際に要求された電圧まで昇圧するのに時間を要することになる。
【０００４】
そこで、特許文献１では、アイドルストップ中に燃料電池の電圧が所定値まで低下したら空気供給を行い、燃料電池の電圧を回復させている。この空気供給は、タイマ等により予め設定した期間だけ行う構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１８２７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように空気供給期間を予め設定する構成では、フィルタ詰まりによる圧損増大等といった経時的な変化に対応できない。このため、アイドルストップ中の電圧回復に必要な空気量を流せなくなる場合が生じ得る。
【０００７】
ところで、従来は、アイドルストップのために空気供給を停止した後の電圧低下速度のバラツキは、セル間の空気分配のバラツキが主な要因と考えられていた。しかし、実際には、空気供給量が不足している場合に電圧低下速度のバラツキが大きくなることが出願人らによって見出された。
【０００８】
したがって、特許文献１のような構成により空気供給量が不足すると、空気供給停止後の、セル間の電圧低下速度のバラツキが大きくなる。そして、電圧が大きく低下したところで負荷増大に応じて再起動して、さらなる電圧低下を引き起こすと、特に電圧低下速度が大きなセルが過剰に電圧低下したと診断されてフェイルセーフモードに陥るおそれがある。
【０００９】
一方、特許文献１のような構成では、製造工程でのバラツキ等による個体差によって過剰な量の空気を供給することになる場合も生じ得る。例えば上限電圧を超えないよう制御する場合には、上限電圧を維持するために電流が流れる時間が長くなる。その結果、余分に発電することになって、水素の消費量が無駄に増加する。一方、アイドルストップ中の電流値を一定に維持するよう制御する場合には、過剰に空気を流すことによって、総電圧が上昇し、または高電圧状態が長く続くので、高電位劣化が進行してしまう。
【００１０】
そこで、本発明では、アイドルストップ中に再起動に備えて空気供給を行う際に、各セルに過不足なく空気を供給し得る燃料電池システム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】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、セル電圧またはセル群電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部の検出結果に基づいて電圧状態を演算するセル電圧演算部と、その演算結果に基づいてアイドルストップ中にカソードへ間欠供給する空気供給量の前回値が過多、または不足か否かを判定する演算結果判定部を備える。さらに、演算結果判定部の判定結果に応じて空気供給量を予め設定した固定値または前回供給量に対して減量、または増量するよう決定する供給空気量決定部を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セル電圧の挙動に基づいて、アイドルストップ中の空気供給量が過多、または不足か否かを判定し、判定結果に応じて空気供給量を補正するので、より適切な空気供給量とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係るシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るアイドルストップ中の空気供給制御の制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態における空気供給量の制御のフローチャートである。
【図４】増量補正量決定に用いるテーブルである。
【図５】第１実施形態に係るシステムの構成図の他の例である。
【図６】図３の制御ルーチンを実行した場合のタイムチャートである。
【図７】上限電圧制御を行う場合の本実施形態の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図８】一定電流制御を行う場合の本実施形態の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図９】第２実施形態における空気供給量の制御のフローチャートである。
【図１０】第３実施形態に係るアイドルストップ中の空気供給制御の制御ブロック図である。
【図１１】第３実施形態における空気供給量の制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るシステムの構成図である。
【００１６】
燃料電池スタック１は、直流電源であり、電解質膜４をアノード２とカソード３で挟持した単セルが複数積層された構造を有する。なお、図１では単セルのみを示している。
【００１７】
アノード２には、水素供給通路７から燃料としての水素ガスが供給される。カソード３には空気供給通路８から酸化剤ガスとしての空気が供給される。
【００１８】
水素供給通路７には、図示しない圧力調整弁が介装されている。これにより、水素タンク５内の高圧水素は、所定の圧力まで減圧されてからアノード２に供給される。
【００１９】
空気は、コンプレッサ６により空気供給通路８からカソード３に供給される。なお、カソード３内の空気圧は、図示しない空気圧調整弁により制御される。
【００２０】
コンプレッサ６の駆動は、コンプレッサ６の回転数を検出する回転数センサ１０の検出値等に基づいて、コントローラ９により制御される。
【００２１】
コントローラ９は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ９を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
【００２２】
また、コントローラ９は、電圧検出部として各セルに設けた電圧センサ１１の検出値に基づいて、燃料電池スタック１の電圧及び単セルの平均電圧の算出、さらには最低電圧の特定等を行う。なお、電圧センサを各セルではなく、複数の単セルの集合であるセル群毎に設置し、セル群電圧に基づいて燃料電池スタック１の電圧及びセル群の平均電圧の算出、そして最低電圧の特定等を算出するようにしてもよい。
【００２３】
上記のような構成の燃料電池システムを、電動モータを駆動源として走行する車両に搭載する。また、この車両には、燃料電池スタック１の他に二次電池も搭載する。燃料電池スタック１で発電した電力は、電動モータの駆動に用いられる他に、二次電池に充電される。そして、コントローラ９が、運転状態に応じて燃料電池システム又は二次電池から電動モータへの電力供給を制御する。
【００２４】
コントローラ９は、例えば低負荷走行時のように要求電力が低い場合には、燃料電池スタック１の発電を一時的に停止して二次電池の電力だけで電動モータや補機類等を駆動する、いわゆるアイドルストップを実行する。アイドルストップは、二次電池の充電量が所定の閾値を下回った場合や、加速要求等によって要求電力が増大した場合に終了する。
【００２５】
アイドルストップ中は、カソード３への空気供給が停止されるが、カソード３内に残留している酸素がカソード３に透過してきた水素と反応することで消費され、スタック総電圧は徐々に低下する。このため、アイドルストップ継続時間が延びるほど、アイドルストップからの復帰時にスタック総電圧が回復するまでに要する時間が長くなり、加速要求等に対する応答遅れが大きくなる。
【００２６】
そこで、コントローラ９は、アイドルストップ中に燃料電池スタック１の平均電圧が予め設定した電圧Ｖ０まで低下したら、電圧を回復させるためにカソード３への空気供給を行う。なお、総電圧を算出し、これが所定電圧まで低下したら空気供給を行なうようにしてもよい。
【００２７】
ところで、燃料電池スタック１への空気供給量が不足すると、単セル間の電圧低下速度のバラツキが大きくなり、スタック内の最低電圧と平均セル電圧の低下速度の差が大きくなる。つまり、スタック内の残存酸素量とセル電圧とには強い相関がある。そこで、コントローラ９はセル電圧に基づいてアイドルストップ中の空気供給制御を行なう。
【００２８】
図２は、コントローラ９がアイドルストップ中に実行する空気供給制御の概要を示す制御ブロック図である。
【００２９】
電圧センサ１１の検出値は、セル電圧演算部２１に読み込まれ、ここで燃料電池スタック１の平均電圧及びスタック内で最も電圧が低いセルの電圧（以下、これを最低電圧という）を求める。セル電圧演算部２１での演算結果に基づいて、演算結果判定部２２ではアイドルストップ中の空気供給による充填量が過多、不足、又は適当のいずれかを判定する。
【００３０】
一方、空気供給量演算部２４では、回転数センサ１０の検出値に基づいてアイドルストップ中の空気供給量を演算する。
【００３１】
そして、供給空気量決定部２３では、過多、不足、又は適当の判定結果と、空気供給量演算部２４の演算結果とに基づいて、次の空気供給量を決定し、コンプレッサ６を制御する。つまり、前回の空気供給量が適当であったか否かをアイドルストップ中の電圧に基づいて判断し、今回の空気供給量を補正する。具体的な演算等については、図３に従って説明する。
【００３２】
図３は、アイドルストップ時の空気供給停止期間中にコントローラ９が実行する、空気供給量決定のための制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、空気供給停止期間中に燃料電池スタック１の平均電圧または総電圧が空気供給開始判定用の下限値まで低下したとき、つまり空気供給開始直前に実行する。
【００３３】
ステップＳ１００、Ｓ１１０で、コントローラ９は電圧センサ１１の検出値を読み込み、燃料電池スタック１の平均電圧ＡｖｅＣＶ、最低電圧ＭｉｎＣＶを演算する。
【００３４】
ステップＳ１２０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以上か否かを判定する。閾値Ｖｂは空気供給量が不足しているか否かの境界値である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以上の場合はステップＳ１３０の処理を実行し、閾値Ｖｂより低い場合、つまり空気供給量が不足している場合はステップＳ１５０の処理を実行する。
【００３５】
なお、ここでは最低電圧ＭｉｎＣＶと閾値Ｖｂを比較しているが、ステップＳ１１０で最低電圧ＭｉｎＣＶの次に低いセル電圧も求めておき、このＮ番目に低い電圧と閾値Ｖｂとを比較するようにしてもよい。すなわち、空気供給量の過不足を判定し得るセル電圧であればよい。後述するステップＳ１３０についても同様である。
【００３６】
ステップＳ１３０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより小さいか否かを判定する。閾値Ｖａは空気供給量が過多であるか否かの境界値である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより高ければステップＳ１４０の処理を実行し、閾値Ｖａ以下の場合、つまり空気供給量が過多の場合はステップＳ１６０の処理を実行する。
【００３７】
ステップＳ１４０で、コントローラ９は空気供給量を現状維持する。これは、前回の空気供給量が適正であったためである。
【００３８】
なお、システム起動後の初回演算時には、空気供給量を少なくともカソードアクティブエリア容積より大きい値に設定する。アクティブエリア容積とは、各単セルの発電に寄与する反応面の面積に、反応面に接する空気流路の高さを乗じ、これをセル積層数分だけ合計したものであり、ガス拡散層の空孔容積も含む。アクティブエリア容積以上の空気を供給すれば、全ての単セルに十分な量の空気が供給され、単セル間の電圧低下速度のバラツキを抑制することができる。その結果、特定の単セルの電圧低下によってフェイルセーフモードに切り替わる可能性を低減することができる。
【００３９】
ステップＳ１５０で、コントローラ９は供給量を増量する。具体的には、不足か否かを判定したときの平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差を算出し、例えば図４に示すようなテーブルを検索することによって増量割合を設定し、この増量割合を用いて前回の空気供給量を補正する。図４の縦軸は増量割合、横軸は平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差を示している。図４に示すように、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差が大きくなるほど増量割合も大きくなる。
【００４０】
なお、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差が極小さい領域では、増量割合が負の値、つまり減量することになる。この領域は、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより高い場合、つまり後述するステップＳ１６０で使用する減量領域である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂより低い場合には、減量領域となることはない。
【００４１】
ステップＳ１６０で、コントローラ９は供給量を減量する。具体的には、例えば図４に示すようなテーブルを検索することによって減量割合を設定し、この減量割合を用いて前回の空気供給量を補正する。
【００４２】
なお、上記制御ルーチンは、制御精度向上の観点からは空気供給開始直前に行うのが望ましいが、空気供給停止期間中であればいつ実行してもかまわない。この場合、閾値Ｖａ、Ｖｂは、実行するタイミングに応じた値を設定する必要がある。
【００４３】
また、ステップＳ１５０またはステップＳ１６０で増減補正する対象は、前回供給値に限られるものではない。例えば、基準となる供給量を固定値として設定しておき、これを増減補正するようにしてもよい。この場合、回転数センサ１０及び空気供給量演算部２４が不要となる。図５に示すように、空気供給通路８に流量計３１を配置し、空気流量を直接検出するようにしてもよい。
【００４４】
図６は、上記制御を実行した場合のタイムチャートである。
【００４５】
ここでは、タイミングＴ１で前回の空気供給を終了して、タイミングＴ２までが空気供給停止区間となる。空気供給を停止するとセル電圧の低下が始まり、タイミングＴ２で平均電圧ＡｖｅＣＶが閾値Ｖ０になると、空気供給を再開する。このとき、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂより低いので、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差に基づいて、タイミングＴ２からの空気供給量を増量補正する。その結果、タイミングＴ３まで空気供給することになる。
【００４６】
なお、前回供給量の過不足の判定は、理想的には空気供給を再開する直前のタイミングＴ２であるが、これより前に行なってもよい。ただし、タイミングＴ２より前に行なう場合には、これに合わせた閾値Ｖａ、Ｖｂとする必要がある。
【００４７】
次に、本実施形態のように空気供給量を制御することによる効果について説明する。
【００４８】
燃料電池スタック１への空気供給量が不足すると、単セル間の電圧低下速度のバラツキが大きくなる。つまり、最低電圧ＭｉｎＣＶと平均セル電圧ＡｖｅＣＶの低下速度の差が大きくなる。
【００４９】
このため、電圧が低下した状態でアイドルストップから復帰すると、負荷への電力供給再開による更なる電圧低下によって、最低電圧ＭｉｎＣＶが大幅に小さくなる。セル電圧が大幅に低い単セルがあると、セルの診断装置によって異常ありと診断され、フェイルセーフモードに切り替わるおそれがある。
【００５０】
これに対して本実施形態では、アイドルストップ中の空気供給量をセル電圧に基づいて制御しているので、各単セルに電圧回復のために必要な空気量を供給し、充填量不足によるセル電圧低下速度のバラツキを抑制することができる。その結果、図６中に示すように、タイミングＴ３以降の電圧低下速度のバラツキが小さくなり、上述したようなフェイルセーフモードへの切り替わりを防止できる。
【００５１】
また、アイドルストップ中の空気供給量を適正化されることにより、燃費性能の向上を図ることもできる。図７は、燃料電池スタック１のスタック電圧が上限値を超えないように制御する場合のタイムチャートである。具体的には、電流の大きさを制御することにより、スタック電圧が上限値を超えないようにする。これを、上限電圧制御と呼ぶ。上限値は、高電位劣化を防止し得る値に設定する。図中の時間Ｔ１は、設計時に電圧回復の為に必要な空気供給量に基づいて算出した供給時間である。
【００５２】
スタック電圧が下限電圧まで低下したタイミングＴ１で空気供給を開始し、タイミングＴ２でスタック電圧が上限電圧に達している。設計通りの空気流量であれば、タイミングＴ４まで空気供給を継続することで、電圧回復に必要な空気量が供給される。しかし、部品の個体差等の要因により設計よりも多くの空気が流れ、タイミングＴ３で電圧回復に必要な空気量の供給が終了すると、タイミングＴ３からタイミングＴ４までは、無駄に空気を供給して、無駄な発電を行うことになる。その結果、水素を無駄に消費することになる。また、生成水の量も増加し、水詰まりの可能性が高まってしまう。
【００５３】
これに対して本実施形態では、セル電圧の挙動に応じて空気供給量が過多、不足、適当のいずれなのかを判定し、判定結果に基づいて空気供給量を補正するので、より適切な空気供給量となる。したがって、上限電圧制御を行う場合に、無駄な水素消費や、余分な生成水による水詰まりの可能性増大といった問題が生じない。
【００５４】
図８は、アイドルストップ中の電流値を一定に制御する場合のタイムチャートである。具体的には、発電の有無によらず電流値を一定に保持する。これを一定電流制御と呼ぶ。
【００５５】
設計通りの空気流量であれば、タイミングＴ３まで空気供給を継続することで、電圧回復に必要な空気量が供給される。しかし、部品の個体差等の要因により設計よりも多くの空気が流れ、タイミングＴ２で電圧回復に必要な空気量の供給が終了すると、タイミングＴ２からタイミングＴ３までは、無駄に空気を供給することになる。そして、図８のようにタイミングＴ２で既に高電位劣化の進行が顕著になる電圧を超えている場合には、タイミングＴ２からタイミングＴ３までの空気供給は、燃料電池スタック１の高電位劣化を進行させるだけである。また、無駄な空気供給のためにコンプレッサ６での消費電力が増大してしまう。
【００５６】
これに対して本実施形態では、セル電圧の挙動に応じて空気供給量が過多、不足、適当のいずれなのかを判定し、判定結果に基づいて空気供給量を補正するので、より適切な空気供給量となる。したがって、高電位劣化の進行を抑制することができる。また、コンプレッサ６の消費電力の増大を防止できる。
【００５７】
また、本実施形態では、コンプレッサ６の回転数に基づいて算出した空気供給量または流量計３１により実測した空気供給量を増減補正するので、より高精度でアイドルストップ中の空気供給量を制御することができる。
【００５８】
また、スタック内の状態を推定するのに、スタック内の残存酸素量と相関の強いセル電圧を用いるので、高い精度で推定することができる。さらに、その推定結果に基づいて、増量分または減量分を調整するので、空気供給量をより適正に制御することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
本実施形態は、システムの構成及び基本的な制御ルーチンについては第１実施形態と同様であり、アイドルストップ中の空気供給量の過不足を判定する方法のみが異なる。そこで、この相違点について説明する。
【００６０】
図９は本実施形態でコントローラ９が実行する空気供給量決定のための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６１】
ステップＳ２００で、コントローラ９は電圧センサ１１の検出値を読み込む。
【００６２】
ステップＳ２１０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶの電圧低下速度△ＣＶを演算する。なお、電圧低下速度△ＣＶは速度の絶対値とする。つまり、電圧低下速度△ＣＶの値が大きいほど、より速く電圧が低下することになる。
【００６３】
ステップＳ２２０で、コントローラ９は電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖｂ以下か否かを判定する。閾値Ｖｂは空気供給量が不足するか否かの境界値である。電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖｂ以下の場合はステップＳ２３０の処理を実行し、閾値Ｖｂより大きい場合、つまり空気供給量が不足している場合はステップＳ２５０の処理を実行する。
【００６４】
ステップＳ２３０で、コントローラ９は電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖａより大きいか否かを判定する。閾値Ｖａは、空気供給量が過多となるか否かの境界値である。電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖａより大きい場合はステップＳ２４０の処理を実行し、電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖａ以下の場合、つまり空気供給量が過多の場合には、ステップＳ２６０の処理を実行する。
【００６５】
ステップＳ２４０−Ｓ２６０は、図３のステップＳ１４０−Ｓ１６０と同様なので説明を省略する。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば第１実施形態と同様に、アイドルストップ中の空気供給量を適切に制御することができる。
【００６７】
なお、電圧低下速度△ＣＶの換わりに、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶの偏差の大きさを用いてもよい。この場合、偏差が不足判定用の閾値より大きければ供給量増量、偏差が過多判定用の閾値より小さければ供給量減量、両閾値の間であれば現状維持となる。
【００６８】
（第３実施形態）
本実施形態は、基本的なシステム構成は第１実施形態と同様であるが、アイドルストップ中の空気供給量をすべて記憶する構成となっているという相違点がある。
【００６９】
図１０は、本実施形態における、コントローラ９によるアイドルストップ中の空気供給制御の概要を示す制御ブロック図である。図１０に示すように、供給空気量決定部２３で空気供給量を決定した後、それを記憶する供給量記憶部４０を備える。第１実施形態では、供給空気量決定部２３で設定した空気供給量が次回演算時まで保持されるだけであるが、本実施形態では、供給量記憶部４０が少なくとも前々回と前回の空気供給量を記憶する。
【００７０】
図１１は、本実施形態でコントローラ９が実行する空気供給量決定のための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００７１】
ステップＳ３００、Ｓ３１０で、コントローラ９は電圧センサ１１の検出値を読み込み、平均電圧ＡｖｅＣＶ、最低電圧ＭｉｎＣＶを演算する。
【００７２】
ステップＳ３２０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以下か否かを判定する。閾値Ｖｂは空気供給量が不足しているか否かの境界値である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以下の場合、空気供給量が不足している場合はステップＳ３３０の処理を実行し、閾値Ｖｂより大きい場合はステップＳ３７０の処理を実行する。
【００７３】
ステップＳ３３０で、コントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎに１を加算し、過多カウンタＣｕｐを０にする。
【００７４】
ステップＳ３４０で、コントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎが１より大きいか否かを判定する。大きい場合はステップＳ３５０の処理を実行し、小さい場合はステップＳ３６０の処理を実行する。
【００７５】
ステップＳ３５０で、コントローラ９は図３のステップＳ１５０と同様に前回供給量に対して増量補正を行なう。これを式に表すと、下式（１）のようになる。増量分αは可変値であり、第１実施形態と同様に設定する。
【００７６】
Ｑ（ｉ）＝Ｑ（ｉ−１）＋α ・・・（１）
Ｑ（ｉ）：ｉ回目の空気供給における空気供給量、α：増量分
【００７７】
ステップＳ３６０で、コントローラ９はステップＳ３５０と同様に空気供給量を増量補正する。ただし、今回の空気供給量が、前回の空気供給量以上かつ前々回の空気供給量以下となるように増量分αを設定する。ステップＳ３６０の処理を行なうのは、空気供給量が過多のため空気供給量を減量補正した結果、不足に転じた場合である。すなわち、前々回の空気供給量では不足だが、前回の空気供給量では過多となる。そこで、上述したように空気供給量が前回以上かつ前々回以下となるように増量分αを設定する。
【００７８】
ステップＳ３７０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより大きいか否かを判定する。大きい場合はステップＳ３８０の処理を実行し、小さい場合はステップＳ４２０の処理を実行する。
【００７９】
ステップＳ３８０で、コントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎを０にし、過多カウンタＣｕｐに１を加算する。
【００８０】
ステップＳ３９０で、コントローラ９は過多カウンタＣｕｐが１より大きいか否かを判定し、大きい場合はステップＳ４００の処理を実行し、小さい場合はステップＳ４１０の処理を実行する。
【００８１】
ステップＳ４００で、コントローラ９は図３のステップＳ１６０と同様に前回供給量に対して減量補正を行なう。これを式に表すと、下式（２）のようになる。減量分βは可変値であり、第１実施形態と同様に設定する。
【００８２】
Ｑ（ｉ）＝Ｑ（ｉ−１）−β ・・・（２）
Ｑ（ｉ）：ｉ回目の空気供給における空気供給量、β：減量増量分
【００８３】
ステップＳ４１０で、コントローラ９はステップＳ４００と同様に空気供給量を減量補正する。ただし、今回の空気供給量が、前々回の空気供給量以上かつ前回の空気供給量以下となるように減量分βを設定する。ステップＳ４１０の処理を行なうのは、空気供給量が不足しているため空気供給量を増量補正した結果、過多に転じた場合である。すなわち、前々回の空気供給量では不足だが、前回の空気供給量では過多となる。そこで、上述したように空気供給量が前々回以上かつ前回以下となるように減量分βを設定する。
【００８４】
ステップＳ４２０で、コントローラ９は空気供給量を現状維持する。そしてステップＳ４３０でコントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎ、過多カウンタＣｕｐをいずれも０にする。
【００８５】
このように、本制御ルーチンでは、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂを下回っている場合は閾値Ｖａを上回るまで増量補正を繰り返し、上回ったら前回の空気供給量に対して減量する。一方、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａを上回っている場合は閾値Ｖｂを下回るまで減量補正を繰り返し、下回ったら前回の空気供給量に対して増量する。
【００８６】
これにより、アイドルストップ中の空気供給を繰り返す度に空気供給量が適正値に近づく。
【００８７】
なお、本制御ルーチンにより設定された空気供給量は、供給量記憶部４０の不揮発性記憶部４０ａに格納される。つまり、今回の車両運転が終了しても、本制御ルーチンにより増減量補正された空気供給量は記憶されている。そして、次回車両運転時には、記憶しておいた空気供給量を使用する。これにより、次回車両運転時には、今回の車両運転で適正値に近づいた空気供給量を最初から使用することができる。
【００８８】
また、本実施形態において、演算結果判定部２２ではアイドルストップ中の空気供給による充填量が過多、不足、または適当のいずれかを判定しているが、アイドルストップ中の空気供給による充填量が過多か否かだけ判定しても良く、あるいはアイドルストップ中の空気供給による充填量が不足か否かだけ判定しても良い。
【００８９】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９０】
１ 燃料電池スタック
２ アノード
３ カソード
４ 電解質膜
５ 水素タンク
６ コンプレッサ
７ 水素供給通路
８ 空気供給通路
９ コントローラ
１０ 回転数センサ
２１ セル電圧演算部
２２ 演算結果判定部
２３ 供給空気量決定部
２４ 空気供給量演算部
３１ 流量計
４０ 供給量記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの空気供給制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池と二次電池を搭載し、これらを適宜使い分けて走行用モータへ電力供給を行い走行する燃料電池車両が知られている。このような燃料電池車両において、燃料ガスを効率的に利用するために、例えば低負荷走行時等に、燃料電池による発電を停止して二次電池のみによってモータを駆動する、いわゆるアイドルストップを実行する場合がある。
【０００３】
しかし、アイドルストップ中に燃料電池への空気供給を停止し続けると、燃料電池の電圧が低下する。電圧の低下代が大きいほど、負荷増大等により燃料電池を再起動する際に要求された電圧まで昇圧するのに時間を要することになる。
【０００４】
そこで、特許文献１では、アイドルストップ中に燃料電池の電圧が所定値まで低下したら空気供給を行い、燃料電池の電圧を回復させている。この空気供給は、タイマ等により予め設定した期間だけ行う構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１８２７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように空気供給期間を予め設定する構成では、フィルタ詰まりによる圧損増大等といった経時的な変化に対応できない。このため、アイドルストップ中の電圧回復に必要な空気量を流せなくなる場合が生じ得る。
【０００７】
ところで、従来は、アイドルストップのために空気供給を停止した後の電圧低下速度のバラツキは、セル間の空気分配のバラツキが主な要因と考えられていた。しかし、実際には、空気供給量が不足している場合に電圧低下速度のバラツキが大きくなることが出願人らによって見出された。
【０００８】
したがって、特許文献１のような構成により空気供給量が不足すると、空気供給停止後の、セル間の電圧低下速度のバラツキが大きくなる。そして、電圧が大きく低下したところで負荷増大に応じて再起動して、さらなる電圧低下を引き起こすと、特に電圧低下速度が大きなセルが過剰に電圧低下したと診断されてフェイルセーフモードに陥るおそれがある。
【０００９】
一方、特許文献１のような構成では、製造工程でのバラツキ等による個体差によって過剰な量の空気を供給することになる場合も生じ得る。例えば上限電圧を超えないよう制御する場合には、上限電圧を維持するために電流が流れる時間が長くなる。その結果、余分に発電することになって、水素の消費量が無駄に増加する。一方、アイドルストップ中の電流値を一定に維持するよう制御する場合には、過剰に空気を流すことによって、総電圧が上昇し、または高電圧状態が長く続くので、高電位劣化が進行してしまう。
【００１０】
そこで、本発明では、アイドルストップ中に再起動に備えて空気供給を行う際に、各セルに過不足なく空気を供給し得る燃料電池システム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】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、セル電圧またはセル群電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部の検出結果に基づいて電圧状態を演算するセル電圧演算部と、その演算結果に基づいてアイドルストップ中にカソードへ間欠供給する空気供給量の前回値が過多、または不足か否かを判定する演算結果判定部を備える。さらに、演算結果判定部の判定結果に応じて空気供給量を予め設定した固定値または前回供給量に対して減量、または増量するよう決定する供給空気量決定部を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セル電圧の挙動に基づいて、アイドルストップ中の空気供給量が過多、または不足か否かを判定し、判定結果に応じて空気供給量を補正するので、より適切な空気供給量とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係るシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るアイドルストップ中の空気供給制御の制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態における空気供給量の制御のフローチャートである。
【図４】増量補正量決定に用いるテーブルである。
【図５】第１実施形態に係るシステムの構成図の他の例である。
【図６】図３の制御ルーチンを実行した場合のタイムチャートである。
【図７】上限電圧制御を行う場合の本実施形態の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図８】一定電流制御を行う場合の本実施形態の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図９】第２実施形態における空気供給量の制御のフローチャートである。
【図１０】第３実施形態に係るアイドルストップ中の空気供給制御の制御ブロック図である。
【図１１】第３実施形態における空気供給量の制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るシステムの構成図である。
【００１６】
燃料電池スタック１は、直流電源であり、電解質膜４をアノード２とカソード３で挟持した単セルが複数積層された構造を有する。なお、図１では単セルのみを示している。
【００１７】
アノード２には、水素供給通路７から燃料としての水素ガスが供給される。カソード３には空気供給通路８から酸化剤ガスとしての空気が供給される。
【００１８】
水素供給通路７には、図示しない圧力調整弁が介装されている。これにより、水素タンク５内の高圧水素は、所定の圧力まで減圧されてからアノード２に供給される。
【００１９】
空気は、コンプレッサ６により空気供給通路８からカソード３に供給される。なお、カソード３内の空気圧は、図示しない空気圧調整弁により制御される。
【００２０】
コンプレッサ６の駆動は、コンプレッサ６の回転数を検出する回転数センサ１０の検出値等に基づいて、コントローラ９により制御される。
【００２１】
コントローラ９は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ９を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
【００２２】
また、コントローラ９は、電圧検出部として各セルに設けた電圧センサ１１の検出値に基づいて、燃料電池スタック１の電圧及び単セルの平均電圧の算出、さらには最低電圧の特定等を行う。なお、電圧センサを各セルではなく、複数の単セルの集合であるセル群毎に設置し、セル群電圧に基づいて燃料電池スタック１の電圧及びセル群の平均電圧の算出、そして最低電圧の特定等を算出するようにしてもよい。
【００２３】
上記のような構成の燃料電池システムを、電動モータを駆動源として走行する車両に搭載する。また、この車両には、燃料電池スタック１の他に二次電池も搭載する。燃料電池スタック１で発電した電力は、電動モータの駆動に用いられる他に、二次電池に充電される。そして、コントローラ９が、運転状態に応じて燃料電池システム又は二次電池から電動モータへの電力供給を制御する。
【００２４】
コントローラ９は、例えば低負荷走行時のように要求電力が低い場合には、燃料電池スタック１の発電を一時的に停止して二次電池の電力だけで電動モータや補機類等を駆動する、いわゆるアイドルストップを実行する。アイドルストップは、二次電池の充電量が所定の閾値を下回った場合や、加速要求等によって要求電力が増大した場合に終了する。
【００２５】
アイドルストップ中は、カソード３への空気供給が停止されるが、カソード３内に残留している酸素がカソード３に透過してきた水素と反応することで消費され、スタック総電圧は徐々に低下する。このため、アイドルストップ継続時間が延びるほど、アイドルストップからの復帰時にスタック総電圧が回復するまでに要する時間が長くなり、加速要求等に対する応答遅れが大きくなる。
【００２６】
そこで、コントローラ９は、アイドルストップ中に燃料電池スタック１の平均電圧が予め設定した電圧Ｖ０まで低下したら、電圧を回復させるためにカソード３への空気供給を行う。なお、総電圧を算出し、これが所定電圧まで低下したら空気供給を行なうようにしてもよい。
【００２７】
ところで、燃料電池スタック１への空気供給量が不足すると、単セル間の電圧低下速度のバラツキが大きくなり、スタック内の最低電圧と平均セル電圧の低下速度の差が大きくなる。つまり、スタック内の残存酸素量とセル電圧とには強い相関がある。そこで、コントローラ９はセル電圧に基づいてアイドルストップ中の空気供給制御を行なう。
【００２８】
図２は、コントローラ９がアイドルストップ中に実行する空気供給制御の概要を示す制御ブロック図である。
【００２９】
電圧センサ１１の検出値は、セル電圧演算部２１に読み込まれ、ここで燃料電池スタック１の平均電圧及びスタック内で最も電圧が低いセルの電圧（以下、これを最低電圧という）を求める。セル電圧演算部２１での演算結果に基づいて、演算結果判定部２２ではアイドルストップ中の空気供給による充填量が過多、不足、又は適当のいずれかを判定する。
【００３０】
一方、空気供給量演算部２４では、回転数センサ１０の検出値に基づいてアイドルストップ中の空気供給量を演算する。
【００３１】
そして、供給空気量決定部２３では、過多、不足、又は適当の判定結果と、空気供給量演算部２４の演算結果とに基づいて、次の空気供給量を決定し、コンプレッサ６を制御する。つまり、前回の空気供給量が適当であったか否かをアイドルストップ中の電圧に基づいて判断し、今回の空気供給量を補正する。具体的な演算等については、図３に従って説明する。
【００３２】
図３は、アイドルストップ時の空気供給停止期間中にコントローラ９が実行する、空気供給量決定のための制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、空気供給停止期間中に燃料電池スタック１の平均電圧または総電圧が空気供給開始判定用の下限値まで低下したとき、つまり空気供給開始直前に実行する。
【００３３】
ステップＳ１００、Ｓ１１０で、コントローラ９は電圧センサ１１の検出値を読み込み、燃料電池スタック１の平均電圧ＡｖｅＣＶ、最低電圧ＭｉｎＣＶを演算する。
【００３４】
ステップＳ１２０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以上か否かを判定する。閾値Ｖｂは空気供給量が不足しているか否かの境界値である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以上の場合はステップＳ１３０の処理を実行し、閾値Ｖｂより低い場合、つまり空気供給量が不足している場合はステップＳ１５０の処理を実行する。
【００３５】
なお、ここでは最低電圧ＭｉｎＣＶと閾値Ｖｂを比較しているが、ステップＳ１１０で最低電圧ＭｉｎＣＶの次に低いセル電圧も求めておき、このＮ番目に低い電圧と閾値Ｖｂとを比較するようにしてもよい。すなわち、空気供給量の過不足を判定し得るセル電圧であればよい。後述するステップＳ１３０についても同様である。
【００３６】
ステップＳ１３０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより小さいか否かを判定する。閾値Ｖａは空気供給量が過多であるか否かの境界値である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより高ければステップＳ１４０の処理を実行し、閾値Ｖａ以下の場合、つまり空気供給量が過多の場合はステップＳ１６０の処理を実行する。
【００３７】
ステップＳ１４０で、コントローラ９は空気供給量を現状維持する。これは、前回の空気供給量が適正であったためである。
【００３８】
なお、システム起動後の初回演算時には、空気供給量を少なくともカソードアクティブエリア容積より大きい値に設定する。アクティブエリア容積とは、各単セルの発電に寄与する反応面の面積に、反応面に接する空気流路の高さを乗じ、これをセル積層数分だけ合計したものであり、ガス拡散層の空孔容積も含む。アクティブエリア容積以上の空気を供給すれば、全ての単セルに十分な量の空気が供給され、単セル間の電圧低下速度のバラツキを抑制することができる。その結果、特定の単セルの電圧低下によってフェイルセーフモードに切り替わる可能性を低減することができる。
【００３９】
ステップＳ１５０で、コントローラ９は供給量を増量する。具体的には、不足か否かを判定したときの平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差を算出し、例えば図４に示すようなテーブルを検索することによって増量割合を設定し、この増量割合を用いて前回の空気供給量を補正する。図４の縦軸は増量割合、横軸は平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差を示している。図４に示すように、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差が大きくなるほど増量割合も大きくなる。
【００４０】
なお、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差が極小さい領域では、増量割合が負の値、つまり減量することになる。この領域は、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより高い場合、つまり後述するステップＳ１６０で使用する減量領域である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂより低い場合には、減量領域となることはない。
【００４１】
ステップＳ１６０で、コントローラ９は供給量を減量する。具体的には、例えば図４に示すようなテーブルを検索することによって減量割合を設定し、この減量割合を用いて前回の空気供給量を補正する。
【００４２】
なお、上記制御ルーチンは、制御精度向上の観点からは空気供給開始直前に行うのが望ましいが、空気供給停止期間中であればいつ実行してもかまわない。この場合、閾値Ｖａ、Ｖｂは、実行するタイミングに応じた値を設定する必要がある。
【００４３】
また、ステップＳ１５０またはステップＳ１６０で増減補正する対象は、前回供給値に限られるものではない。例えば、基準となる供給量を固定値として設定しておき、これを増減補正するようにしてもよい。この場合、回転数センサ１０及び空気供給量演算部２４が不要となる。図５に示すように、空気供給通路８に流量計３１を配置し、空気流量を直接検出するようにしてもよい。
【００４４】
図６は、上記制御を実行した場合のタイムチャートである。
【００４５】
ここでは、タイミングＴ１で前回の空気供給を終了して、タイミングＴ２までが空気供給停止区間となる。空気供給を停止するとセル電圧の低下が始まり、タイミングＴ２で平均電圧ＡｖｅＣＶが閾値Ｖ０になると、空気供給を再開する。このとき、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂより低いので、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶとの差に基づいて、タイミングＴ２からの空気供給量を増量補正する。その結果、タイミングＴ３まで空気供給することになる。
【００４６】
なお、前回供給量の過不足の判定は、理想的には空気供給を再開する直前のタイミングＴ２であるが、これより前に行なってもよい。ただし、タイミングＴ２より前に行なう場合には、これに合わせた閾値Ｖａ、Ｖｂとする必要がある。
【００４７】
次に、本実施形態のように空気供給量を制御することによる効果について説明する。
【００４８】
燃料電池スタック１への空気供給量が不足すると、単セル間の電圧低下速度のバラツキが大きくなる。つまり、最低電圧ＭｉｎＣＶと平均セル電圧ＡｖｅＣＶの低下速度の差が大きくなる。
【００４９】
このため、電圧が低下した状態でアイドルストップから復帰すると、負荷への電力供給再開による更なる電圧低下によって、最低電圧ＭｉｎＣＶが大幅に小さくなる。セル電圧が大幅に低い単セルがあると、セルの診断装置によって異常ありと診断され、フェイルセーフモードに切り替わるおそれがある。
【００５０】
これに対して本実施形態では、アイドルストップ中の空気供給量をセル電圧に基づいて制御しているので、各単セルに電圧回復のために必要な空気量を供給し、充填量不足によるセル電圧低下速度のバラツキを抑制することができる。その結果、図６中に示すように、タイミングＴ３以降の電圧低下速度のバラツキが小さくなり、上述したようなフェイルセーフモードへの切り替わりを防止できる。
【００５１】
また、アイドルストップ中の空気供給量を適正化されることにより、燃費性能の向上を図ることもできる。図７は、燃料電池スタック１のスタック電圧が上限値を超えないように制御する場合のタイムチャートである。具体的には、電流の大きさを制御することにより、スタック電圧が上限値を超えないようにする。これを、上限電圧制御と呼ぶ。上限値は、高電位劣化を防止し得る値に設定する。図中の時間Ｔ１は、設計時に電圧回復の為に必要な空気供給量に基づいて算出した供給時間である。
【００５２】
スタック電圧が下限電圧まで低下したタイミングＴ１で空気供給を開始し、タイミングＴ２でスタック電圧が上限電圧に達している。設計通りの空気流量であれば、タイミングＴ４まで空気供給を継続することで、電圧回復に必要な空気量が供給される。しかし、部品の個体差等の要因により設計よりも多くの空気が流れ、タイミングＴ３で電圧回復に必要な空気量の供給が終了すると、タイミングＴ３からタイミングＴ４までは、無駄に空気を供給して、無駄な発電を行うことになる。その結果、水素を無駄に消費することになる。また、生成水の量も増加し、水詰まりの可能性が高まってしまう。
【００５３】
これに対して本実施形態では、セル電圧の挙動に応じて空気供給量が過多、不足、適当のいずれなのかを判定し、判定結果に基づいて空気供給量を補正するので、より適切な空気供給量となる。したがって、上限電圧制御を行う場合に、無駄な水素消費や、余分な生成水による水詰まりの可能性増大といった問題が生じない。
【００５４】
図８は、アイドルストップ中の電流値を一定に制御する場合のタイムチャートである。具体的には、発電の有無によらず電流値を一定に保持する。これを一定電流制御と呼ぶ。
【００５５】
設計通りの空気流量であれば、タイミングＴ３まで空気供給を継続することで、電圧回復に必要な空気量が供給される。しかし、部品の個体差等の要因により設計よりも多くの空気が流れ、タイミングＴ２で電圧回復に必要な空気量の供給が終了すると、タイミングＴ２からタイミングＴ３までは、無駄に空気を供給することになる。そして、図８のようにタイミングＴ２で既に高電位劣化の進行が顕著になる電圧を超えている場合には、タイミングＴ２からタイミングＴ３までの空気供給は、燃料電池スタック１の高電位劣化を進行させるだけである。また、無駄な空気供給のためにコンプレッサ６での消費電力が増大してしまう。
【００５６】
これに対して本実施形態では、セル電圧の挙動に応じて空気供給量が過多、不足、適当のいずれなのかを判定し、判定結果に基づいて空気供給量を補正するので、より適切な空気供給量となる。したがって、高電位劣化の進行を抑制することができる。また、コンプレッサ６の消費電力の増大を防止できる。
【００５７】
また、本実施形態では、コンプレッサ６の回転数に基づいて算出した空気供給量または流量計３１により実測した空気供給量を増減補正するので、より高精度でアイドルストップ中の空気供給量を制御することができる。
【００５８】
また、スタック内の状態を推定するのに、スタック内の残存酸素量と相関の強いセル電圧を用いるので、高い精度で推定することができる。さらに、その推定結果に基づいて、増量分または減量分を調整するので、空気供給量をより適正に制御することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
本実施形態は、システムの構成及び基本的な制御ルーチンについては第１実施形態と同様であり、アイドルストップ中の空気供給量の過不足を判定する方法のみが異なる。そこで、この相違点について説明する。
【００６０】
図９は本実施形態でコントローラ９が実行する空気供給量決定のための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６１】
ステップＳ２００で、コントローラ９は電圧センサ１１の検出値を読み込む。
【００６２】
ステップＳ２１０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶの電圧低下速度△ＣＶを演算する。なお、電圧低下速度△ＣＶは速度の絶対値とする。つまり、電圧低下速度△ＣＶの値が大きいほど、より速く電圧が低下することになる。
【００６３】
ステップＳ２２０で、コントローラ９は電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖｂ以下か否かを判定する。閾値Ｖｂは空気供給量が不足するか否かの境界値である。電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖｂ以下の場合はステップＳ２３０の処理を実行し、閾値Ｖｂより大きい場合、つまり空気供給量が不足している場合はステップＳ２５０の処理を実行する。
【００６４】
ステップＳ２３０で、コントローラ９は電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖａより大きいか否かを判定する。閾値Ｖａは、空気供給量が過多となるか否かの境界値である。電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖａより大きい場合はステップＳ２４０の処理を実行し、電圧低下速度△ＣＶが閾値Ｖａ以下の場合、つまり空気供給量が過多の場合には、ステップＳ２６０の処理を実行する。
【００６５】
ステップＳ２４０−Ｓ２６０は、図３のステップＳ１４０−Ｓ１６０と同様なので説明を省略する。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば第１実施形態と同様に、アイドルストップ中の空気供給量を適切に制御することができる。
【００６７】
なお、電圧低下速度△ＣＶの換わりに、平均電圧ＡｖｅＣＶと最低電圧ＭｉｎＣＶの偏差の大きさを用いてもよい。この場合、偏差が不足判定用の閾値より大きければ供給量増量、偏差が過多判定用の閾値より小さければ供給量減量、両閾値の間であれば現状維持となる。
【００６８】
（第３実施形態）
本実施形態は、基本的なシステム構成は第１実施形態と同様であるが、アイドルストップ中の空気供給量をすべて記憶する構成となっているという相違点がある。
【００６９】
図１０は、本実施形態における、コントローラ９によるアイドルストップ中の空気供給制御の概要を示す制御ブロック図である。図１０に示すように、供給空気量決定部２３で空気供給量を決定した後、それを記憶する供給量記憶部４０を備える。第１実施形態では、供給空気量決定部２３で設定した空気供給量が次回演算時まで保持されるだけであるが、本実施形態では、供給量記憶部４０が少なくとも前々回と前回の空気供給量を記憶する。
【００７０】
図１１は、本実施形態でコントローラ９が実行する空気供給量決定のための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００７１】
ステップＳ３００、Ｓ３１０で、コントローラ９は電圧センサ１１の検出値を読み込み、平均電圧ＡｖｅＣＶ、最低電圧ＭｉｎＣＶを演算する。
【００７２】
ステップＳ３２０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以下か否かを判定する。閾値Ｖｂは空気供給量が不足しているか否かの境界値である。最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂ以下の場合、空気供給量が不足している場合はステップＳ３３０の処理を実行し、閾値Ｖｂより大きい場合はステップＳ３７０の処理を実行する。
【００７３】
ステップＳ３３０で、コントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎに１を加算し、過多カウンタＣｕｐを０にする。
【００７４】
ステップＳ３４０で、コントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎが１より大きいか否かを判定する。大きい場合はステップＳ３５０の処理を実行し、小さい場合はステップＳ３６０の処理を実行する。
【００７５】
ステップＳ３５０で、コントローラ９は図３のステップＳ１５０と同様に前回供給量に対して増量補正を行なう。これを式に表すと、下式（１）のようになる。増量分αは可変値であり、第１実施形態と同様に設定する。
【００７６】
Ｑ（ｉ）＝Ｑ（ｉ−１）＋α ・・・（１）
Ｑ（ｉ）：ｉ回目の空気供給における空気供給量、α：増量分
【００７７】
ステップＳ３６０で、コントローラ９はステップＳ３５０と同様に空気供給量を増量補正する。ただし、今回の空気供給量が、前回の空気供給量以上かつ前々回の空気供給量以下となるように増量分αを設定する。ステップＳ３６０の処理を行なうのは、空気供給量が過多のため空気供給量を減量補正した結果、不足に転じた場合である。すなわち、前々回の空気供給量では不足だが、前回の空気供給量では過多となる。そこで、上述したように空気供給量が前回以上かつ前々回以下となるように増量分αを設定する。
【００７８】
ステップＳ３７０で、コントローラ９は最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａより大きいか否かを判定する。大きい場合はステップＳ３８０の処理を実行し、小さい場合はステップＳ４２０の処理を実行する。
【００７９】
ステップＳ３８０で、コントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎを０にし、過多カウンタＣｕｐに１を加算する。
【００８０】
ステップＳ３９０で、コントローラ９は過多カウンタＣｕｐが１より大きいか否かを判定し、大きい場合はステップＳ４００の処理を実行し、小さい場合はステップＳ４１０の処理を実行する。
【００８１】
ステップＳ４００で、コントローラ９は図３のステップＳ１６０と同様に前回供給量に対して減量補正を行なう。これを式に表すと、下式（２）のようになる。減量分βは可変値であり、第１実施形態と同様に設定する。
【００８２】
Ｑ（ｉ）＝Ｑ（ｉ−１）−β ・・・（２）
Ｑ（ｉ）：ｉ回目の空気供給における空気供給量、β：減量増量分
【００８３】
ステップＳ４１０で、コントローラ９はステップＳ４００と同様に空気供給量を減量補正する。ただし、今回の空気供給量が、前々回の空気供給量以上かつ前回の空気供給量以下となるように減量分βを設定する。ステップＳ４１０の処理を行なうのは、空気供給量が不足しているため空気供給量を増量補正した結果、過多に転じた場合である。すなわち、前々回の空気供給量では不足だが、前回の空気供給量では過多となる。そこで、上述したように空気供給量が前々回以上かつ前回以下となるように減量分βを設定する。
【００８４】
ステップＳ４２０で、コントローラ９は空気供給量を現状維持する。そしてステップＳ４３０でコントローラ９は不足カウンタＣｄｏｗｎ、過多カウンタＣｕｐをいずれも０にする。
【００８５】
このように、本制御ルーチンでは、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖｂを下回っている場合は閾値Ｖａを上回るまで増量補正を繰り返し、上回ったら前回の空気供給量に対して減量する。一方、最低電圧ＭｉｎＣＶが閾値Ｖａを上回っている場合は閾値Ｖｂを下回るまで減量補正を繰り返し、下回ったら前回の空気供給量に対して増量する。
【００８６】
これにより、アイドルストップ中の空気供給を繰り返す度に空気供給量が適正値に近づく。
【００８７】
なお、本制御ルーチンにより設定された空気供給量は、供給量記憶部４０の不揮発性記憶部４０ａに格納される。つまり、今回の車両運転が終了しても、本制御ルーチンにより増減量補正された空気供給量は記憶されている。そして、次回車両運転時には、記憶しておいた空気供給量を使用する。これにより、次回車両運転時には、今回の車両運転で適正値に近づいた空気供給量を最初から使用することができる。
【００８８】
また、本実施形態において、演算結果判定部２２ではアイドルストップ中の空気供給による充填量が過多、不足、または適当のいずれかを判定しているが、アイドルストップ中の空気供給による充填量が過多か否かだけ判定しても良く、あるいはアイドルストップ中の空気供給による充填量が不足か否かだけ判定しても良い。
【００８９】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９０】
１ 燃料電池スタック
２ アノード
３ カソード
４ 電解質膜
５ 水素タンク
６ コンプレッサ
７ 水素供給通路
８ 空気供給通路
９ コントローラ
１０ 回転数センサ
２１ セル電圧演算部
２２ 演算結果判定部
２３ 供給空気量決定部
２４ 空気供給量演算部
３１ 流量計
４０ 供給量記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル電圧またはセル群電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部の検出結果に基づいて電圧状態を演算するセル電圧演算部と、
前記セル電圧演算部の演算結果に基づいて、アイドルストップ中にカソードへ間欠供給する空気供給量の前回値が過多、または不足か否かを判定する演算結果判定部と、
前記演算結果判定部の判定結果に応じて前記空気供給量を予め設定した固定値または前回供給量に対して減量、または増量するよう決定する供給空気量決定部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記前回供給量を演算により求める空気供給量演算部を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記前回供給量を直接計測する流量計を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セル電圧演算部は、空気供給停止中の電圧変動に応じて変化する判定値を算出し、
前記演算結果判定部は、予め設定した閾値と前記判定値とを比較することにより、前記固定値または前記前回供給量が過多、不足、または適当のいずれかを判定し、
前記供給空気量決定部は、不足と判定された場合には前記空気供給量を前記固定値または前記前回供給量に対して増量するよう決定する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セル電圧演算部は、空気供給停止中の電圧変動に応じて変化する判定値を算出し、
前記演算結果判定部は、予め設定した閾値と前記判定値とを比較することにより、前記固定値または前記前回供給量が過多、不足、または適当のいずれかを判定し、
前記供給空気量決定部は、過多と判定された場合には前記空気供給量を前記固定値または前記前回供給量に対して減量するよう決定する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給空気量決定部は、前記演算結果判定部の判定結果に応じて前記固定値または前記前回供給量に対する増量分または減量分を変化させる請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記供給空気量決定部は、前記空気供給量を前記固定値または前記前回供給量に対して増量する場合、前記閾値と前記判定値との乖離が大きいほど増量分を大きくする請求項４または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
アイドルストップ中に行う空気供給の、少なくとも前々回供給量及び前回供給量を記憶する記憶部を備える請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給空気量決定部は、前記演算結果判定部が不足と判定したら、判定結果が過多または適当になるまで空気供給量の増量を繰り返す請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記供給空気決定部は、前記判定結果が不足から過多へ転じたら空気供給量を前回供給量に対して減量するが、減量後の空気供給量を前々回供給量よりは多く設定する請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記供給空気量決定部は、前記演算結果判定部が過多と判定したら、判定結果が不足または適当になるまで空気供給量の減量を繰り返す請求項８から１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記供給空気量決定部は、前記判定結果が過多から不足へ転じたら空気供給量を前回供給量に対して増量するが、増量後の空気供給量を前々回供給量よりは少なく設定する請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記記憶部は不揮発性記憶部を備え、前記不揮発性記憶部に空気供給量を記憶し、前記供給空気決定部は次回運転時に前記不揮発記憶部に記憶した空気供給量を使用する請求項９から１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記供給空気量決定部は、システム製造後の初回運転時における最初のアイドルストップ中の空気供給量を、燃料電池を構成するセル積層体の発電を行うアクティブエリアに面する空気流路の容積と前記アクティブエリアのガス拡散層の空孔容積との和であるアクティブエリア容積より大きくする請求項１から１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
セル電圧またはセル群電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部の検出結果に基づいて電圧状態を演算するセル電圧演算部と、
前記セル電圧演算部の演算結果に基づいて、アイドルストップ中にカソードへ間欠供給する空気供給量の前回値が過多、または不足か否かを判定する演算結果判定部と、
前記演算結果判定部の判定結果に応じて前記空気供給量を予め設定した固定値または前回供給量に対して減量、または増量するよう決定する供給空気量決定部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記前回供給量を演算により求める空気供給量演算部を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記前回供給量を直接計測する流量計を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セル電圧演算部は、空気供給停止中の電圧変動に応じて変化する判定値を算出し、
前記演算結果判定部は、予め設定した閾値と前記判定値とを比較することにより、前記固定値または前記前回供給量が過多、不足、または適当のいずれかを判定し、
前記供給空気量決定部は、不足と判定された場合には前記空気供給量を前記固定値または前記前回供給量に対して増量するよう決定する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セル電圧演算部は、空気供給停止中の電圧変動に応じて変化する判定値を算出し、
前記演算結果判定部は、予め設定した閾値と前記判定値とを比較することにより、前記固定値または前記前回供給量が過多、不足、または適当のいずれかを判定し、
前記供給空気量決定部は、過多と判定された場合には前記空気供給量を前記固定値または前記前回供給量に対して減量するよう決定する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給空気量決定部は、前記演算結果判定部の判定結果に応じて前記固定値または前記前回供給量に対する増量分または減量分を変化させる請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記供給空気量決定部は、前記空気供給量を前記固定値または前記前回供給量に対して増量する場合、前記閾値と前記判定値との乖離が大きいほど増量分を大きくする請求項４または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
アイドルストップ中に行う空気供給の、少なくとも前々回供給量及び前回供給量を記憶する記憶部を備える請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給空気量決定部は、前記演算結果判定部が不足と判定したら、判定結果が過多または適当になるまで空気供給量の増量を繰り返す請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記供給空気決定部は、前記判定結果が不足から過多へ転じたら空気供給量を前回供給量に対して減量するが、減量後の空気供給量を前々回供給量よりは多く設定する請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記供給空気量決定部は、前記演算結果判定部が過多と判定したら、判定結果が不足または適当になるまで空気供給量の減量を繰り返す請求項８から１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記供給空気量決定部は、前記判定結果が過多から不足へ転じたら空気供給量を前回供給量に対して増量するが、増量後の空気供給量を前々回供給量よりは少なく設定する請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記記憶部は不揮発性記憶部を備え、前記不揮発性記憶部に空気供給量を記憶し、前記供給空気決定部は次回運転時に前記不揮発記憶部に記憶した空気供給量を使用する請求項９から１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記供給空気量決定部は、システム製造後の初回運転時における最初のアイドルストップ中の空気供給量を、燃料電池を構成するセル積層体の発電を行うアクティブエリアに面する空気流路の容積と前記アクティブエリアのガス拡散層の空孔容積との和であるアクティブエリア容積より大きくする請求項１から１３のいずれか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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１０５５３４（Ｐ２０１３−１０５５３４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６６２８（Ｐ２０１１−２４６６２８）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【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２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【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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