特開 2022-94991 燃料電池システム及び燃料電池の発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022094991

(43)【公開日】2022-06-28

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池の発電方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04303 20160101AFI20220621BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20220621BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220621BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20220621BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20220621BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20220621BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20220621BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04303

H01M8/00 A

H01M8/04 J

H01M8/0438

H01M8/04746

H01M8/04858

H01M8/04228

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020208053

(22)【出願日】2020-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】山川 大輝

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC01

5H127AC05

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA58

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB40

5H127DA05

5H127DA08

5H127DB22

5H127DB42

5H127DB99

5H127DC02

5H127DC22

5H127DC45

(57)【要約】

【課題】燃料電池の発電停止時において、燃料電池の電圧の変動幅を抑える。
【解決手段】モータＭを最低回転数で駆動させている場合における燃料電池ＦＣに供給される単位時間Ｔあたりの酸素の量である単位時間酸素供給量Ｖｏ１と、燃料電池ＦＣの電解質膜を透過する単位時間Ｔあたりの水素の量と反応する酸素の量である単位時間反応酸素量Ｖｏ２と、から比を求め、その比から期間Ｔ１と、単位時間Ｔのうちの期間Ｔ１以外の期間Ｔ２を取得し、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、燃料電池ＦＣ内の燃料ガスの圧力が一定になるように、インジェクタＩＮＪの動作を制御するとともに、期間Ｔ１においてモータＭを最低回転数で駆動させる処理と、期間Ｔ２においてモータＭを停止させる処理とを交互に繰り返し行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池の後段に設けられるＤＣＤＣコンバータと、
前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を調整するインジェクタと、
前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を調整するモータを有するエアコンプレッサと、
前記ＤＣＤＣコンバータ、前記インジェクタ、及び前記エアコンプレッサの前記モータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記モータを最低回転数で駆動させている場合における前記燃料電池に供給される単位時間あたりの酸素の量である単位時間酸素供給量と、前記燃料電池の電解質膜を透過する単位時間あたりの水素の量と反応する酸素の量である単位時間反応酸素量と、から比を求め、
前記比から前記単位時間のうちの第１の期間と、前記単位時間のうちの前記第１の期間以外の第２の期間を取得し、
前記ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力が一定になるように、前記インジェクタの動作を制御するとともに、前記第１の期間において前記モータを最低回転数で駆動させる処理と、前記第２の期間において前記モータを停止させる処理とを交互に繰り返し行う
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における前記燃料電池の発電停止時、前記第２の期間において前記燃料電池に前記燃料ガスが供給されないように前記インジェクタの動作を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ＤＣＤＣコンバータの後段に設けられる蓄電装置を備え、
前記ＤＣＤＣコンバータは、
インダクタと、
スイッチと、
アノード端子が前記インダクタを介して前記燃料電池の正極端子に接続されるとともに前記スイッチを介して前記燃料電池の負極端子に接続され、カソード端子が前記蓄電装置の正極端子に接続されるダイオードと、
一方端子が前記ダイオードのカソード端子及び前記蓄電装置の正極端子に接続され、他方端子が前記燃料電池の負極端子及び前記蓄電装置の負極端子に接続されるコンデンサと、
を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータを駆動させている場合における前記燃料電池の発電時、前記蓄電装置の電圧または充電率に応じて、前記燃料電池の出力電力が段階的に変化するように、前記エアコンプレッサのモータの動作を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項5】

燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の後段に設けられるＤＣＤＣコンバータと、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を調整するインジェクタと、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を調整するモータを有するエアコンプレッサと、前記ＤＣＤＣコンバータ、前記インジェクタ、及び前記エアコンプレッサの前記モータの動作を制御する制御部とを備える燃料電池システムにおける前記燃料電池の発電方法であって、
前記制御部は、
前記モータを最低回転数で駆動させている場合における前記燃料電池に供給される単位時間あたりの酸素の量である単位時間酸素供給量と、前記燃料電池の電解質膜を透過する単位時間あたりの水素の量と反応する酸素の量である単位時間反応酸素量と、から比を求め、
前記比から前記単位時間のうちの第１の期間と、前記単位時間のうちの前記第１の期間以外の第２の期間を取得し、
前記ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力が一定になるように、前記インジェクタの動作を制御するとともに、前記第１の期間において前記モータを最低回転数で駆動させる処理と、前記第２の期間において前記モータを停止させる処理とを交互に繰り返し行う
ことを特徴とする燃料電池の発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムとして、燃料電池の発電停止時、図４に示すように、燃料電池の電圧が上限値以上になると、燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池の電圧が下限値以下になると、燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を再開するものがある。なお、図４に示す燃料電池の電圧の変動例では、燃料電池の電圧が上限値を超えないように、一時的に、燃料電池から負荷に電流を流しているものとする。関連する技術として、特許文献１がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－０４８５１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記燃料電池システムでは、上限値と下限値との差が比較的大きい場合、燃料電池の電圧の変動幅の増加による燃料電池の劣化が懸念される。

【0005】

そこで、本発明の一側面に係る目的は、燃料電池の発電停止時に、燃料電池の電圧の変動幅を抑えることが可能な燃料電池システム及び燃料電池の発電方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の後段に設けられるＤＣＤＣコンバータと、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を調整するインジェクタと、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を調整するモータを有するエアコンプレッサと、前記ＤＣＤＣコンバータ、前記インジェクタ、及び前記エアコンプレッサの前記モータの動作を制御する制御部とを備える。

【0007】

前記制御部は、前記モータを最低回転数で駆動させている場合における前記燃料電池に供給される単位時間あたりの酸素の量である単位時間酸素供給量と、前記燃料電池の電解質膜を透過する単位時間あたりの水素の量と反応する酸素の量である単位時間反応酸素量と、から比を求め、前記比から前記単位時間のうちの第１の期間と、前記単位時間のうちの前記第１の期間以外の第２の期間を取得し、前記ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力が一定になるように、前記インジェクタの動作を制御するとともに、前記第１の期間において前記モータを最低回転数で駆動させる処理と、前記第２の期間において前記モータを停止させる処理とを交互に繰り返し行う。

【0008】

これにより、燃料電池の電解質膜を透過する単位時間あたりの水素の量が比較的少ない場合、第１の期間を比較的短くすることで、第１の期間における燃料電池の電圧の上昇を抑えることができる。また、第２の期間において電解質膜を介して水素極に透過する酸素の燃料を抑えることができるため、第２の期間における燃料電池の電圧の低下を抑えることができる。そのため、ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における燃料電池の発電停止時に、燃料電池の電圧の変動幅を抑えることができる。

【0009】

また、前記制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における前記燃料電池の発電停止時、前記第２の期間において前記燃料電池に前記燃料ガスが供給されないように前記インジェクタの動作を制御するように構成してもよい。

【0010】

これにより、燃料ガスの消費量を抑えることができるため、燃料電池システムから供給される電力により走行する車両の燃費を向上させることができる。

【0011】

また、上記燃料電池システムは、前記ＤＣＤＣコンバータの後段に設けられる蓄電装置を備え、前記ＤＣＤＣコンバータは、インダクタと、スイッチと、アノード端子が前記インダクタを介して前記燃料電池の正極端子に接続されるとともに前記スイッチを介して前記燃料電池の負極端子に接続され、カソード端子が前記蓄電装置の正極端子に接続されるダイオードと、一方端子が前記ダイオードのカソード端子及び前記蓄電装置の正極端子に接続され、他方端子が前記燃料電池の負極端子及び前記蓄電装置の負極端子に接続されるコンデンサとを備えるように構成してもよい。

【0012】

これにより、スイッチが停止しているときで、かつ、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧より高い場合、燃料電池からダイオードを介して蓄電装置に電流が流れて燃料電池の電圧が低下するため、燃料電池の電圧が比較的高くなることで燃料電池が劣化することを抑制することができる。

【0013】

また、前記制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータを駆動させている場合における前記燃料電池の発電時、前記蓄電装置の電圧または充電率に応じて、前記燃料電池の出力電力が段階的に変化するように、前記エアコンプレッサのモータの動作を制御するように構成してもよい。

【0014】

また、本発明に係る一つの形態である燃料電池の発電方法は、上記燃料電池システムにおける前記燃料電池の発電方法であって、前記制御部は、前記モータを最低回転数で駆動させている場合における前記燃料電池に供給される単位時間あたりの酸素の量である単位時間酸素供給量と、前記燃料電池の電解質膜を透過する単位時間あたりの水素の量と反応する酸素の量である単位時間反応酸素量と、から比を求め、前記比から前記単位時間のうちの第１の期間と、前記単位時間のうちの前記第１の期間以外の第２の期間を取得し、前記ＤＣＤＣコンバータを停止させている場合における前記燃料電池の発電停止時、前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力が一定になるように、前記インジェクタの動作を制御するとともに、前記第１の期間において前記モータを最低回転数で駆動させる処理と、前記第２の期間において前記モータを停止させる処理とを交互に繰り返し行う。

【0015】

これにより、第１の期間における燃料電池の電圧の上昇を抑えることができ、第２の期間における燃料電池の電圧の低下を抑えることができるため、燃料電池から負荷に電流が流れていない場合における燃料電池の発電停止時、燃料電池の電圧の変動幅を抑えることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、燃料電池の発電停止時において、燃料電池の電圧の変動幅を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【図2】制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

【図3】実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池の電圧の変動例を示す図である。

【図4】既存の燃料電池システムにおける燃料電池の電圧の変動例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0019】

図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【0020】

図１に示す燃料電池システム１は、フォークリフトなどの産業車両や自動車などの車両Ｖｅに搭載され、負荷Ｌｏなどに電力を供給する。なお、負荷Ｌｏは、車両Ｖｅに搭載される走行用モータを駆動するインバータや電装部品などである。

【0021】

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素タンクＨＴと、インジェクタＩＮＪと、エアコンプレッサＡＣＰと、エア調圧弁ＡＲＶと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、電圧計ＳＶ１、ＳＶ２と、電流計ＳＩと、記憶部２と、制御部３とを備える。

【0022】

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、燃料ガス（水素ガス）に含まれる水素と酸化剤ガス（空気）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

【0023】

水素タンクＨＴは、燃料ガスの貯蔵容器である。水素タンクＨＴに貯蔵された燃料ガスはインジェクタＩＮＪを介して燃料電池ＦＣに供給される。

【0024】

インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣに供給される単位時間Ｔあたりの燃料ガスの量（流量）を調整する。

【0025】

エアコンプレッサＡＣＰは、酸化剤ガスをエア調圧弁ＡＲＶを介して燃料電池ＦＣに供給する。例えば、エアコンプレッサＡＣＰのモータを駆動するための電圧が大きくなるほど、モータの回転数が大きくなり、エアコンプレッサＡＣＰから出力される単位時間Ｔあたりの酸化剤ガスの量（流量）が大きくなるものとする。また、エアコンプレッサＡＣＰのモータを駆動するための電圧が小さくなるほど、モータの回転数が小さくなり、エアコンプレッサＡＣＰから出力される単位時間Ｔあたりの酸化剤ガスの量が小さくなるものとする。

【0026】

エア調圧弁ＡＲＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力を調整する。

【0027】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣと蓄電装置Ｂとの間に設けられ、燃料電池ＦＣの電圧を上昇させるとともに燃料電池ＦＣから出力される電力を蓄電装置Ｂに供給する。

【0028】

また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、インダクタＬと、スイッチＳＷ（ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など）と、ダイオードＤと、コンデンサＣとを備える。すなわち、ダイオードＤのアノード端子はインダクタＬを介して燃料電池ＦＣの正極端子に接続されているとともにスイッチＳＷを介して燃料電池ＦＣの負極端子に接続されている。また、ダイオードＤのカソード端子は蓄電装置Ｂの正極端子に接続されている。また、コンデンサＣの一方端子はダイオードＤのカソード端子及び蓄電装置Ｂの正極端子に接続され、コンデンサＣの他方端子は燃料電池ＦＣの負極端子及び蓄電装置Ｂの負極端子に接続されている。なお、スイッチＳＷがオフ（開状態）である場合で、かつ、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｂの電圧より高い場合、燃料電池ＦＣからダイオードＤを介して蓄電装置Ｂに電流が流れるものとする。

【0029】

蓄電装置Ｂは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの後段に設けられる。また、蓄電装置Ｂは、負荷Ｌｏに電力を供給する。

【0030】

電圧計ＳＶ１は、燃料電池ＦＣの電圧を計測し、その計測した電圧を制御部３に送る。

【0031】

電圧計ＳＶ２は、蓄電装置Ｂの電圧を計測し、その計測した電圧を制御部３に送る。

【0032】

電流計ＳＩは、蓄電装置Ｂに流れる電流を計測し、その計測した電流を制御部３に送る。

【0033】

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリにより構成される。

【0034】

制御部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成され、インジェクタＩＮＪ、エア調圧弁ＡＲＶ、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶ、及びエアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御する。

【0035】

＜インジェクタＩＮＪの動作制御＞
制御部３は、燃料電池ＦＣの発電時、燃料電池ＦＣ内の燃料ガスの圧力が一定になるように、インジェクタＩＮＪの動作を制御する。

【0036】

例えば、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電時、燃料電池ＦＣの水素極（アノード）の圧力が所定圧力以上になると、水素タンクＨＴから燃料電池ＦＣへの燃料ガスの供給が停止するようにインジェクタＩＮＪの動作を制御し、燃料電池ＦＣの水素極の圧力が所定圧力より低くなると、水素タンクＨＴから燃料電池ＦＣへの燃料ガスの供給が再開するようにインジェクタＩＮＪの動作を制御する。

【0037】

＜エア調圧弁ＡＲＶの動作制御＞
制御部３は、燃料電池ＦＣの発電時、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力が一定になるようにエア調圧弁ＡＲＶの動作を制御する。これにより、エアコンプレッサＡＣＰから燃料電池ＦＣの酸素極に供給される酸化剤ガスの流量の変動を抑制することができる。

【0038】

＜蓄電装置Ｂの満充電状態判断＞
制御部３は、蓄電装置Ｂの電圧（電圧計ＳＶ２により計測される電圧）が電圧閾値以上である場合、または、蓄電装置Ｂの充電率が充電率閾値以上である場合、蓄電装置Ｂが満充電状態であると判断し、蓄電装置Ｂの電圧が電圧閾値より小さい場合、または、蓄電装置Ｂの充電率が充電率閾値より小さい場合、蓄電装置Ｂが満充電状態でないと判断する。なお、制御部３は、電圧計ＳＶ２により計測される電圧や電流計ＳＩにより計測される電流の積算値により蓄電装置Ｂの充電率を求めるものとする。

【0039】

＜蓄電装置Ｂが満充電状態ではない場合のＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作制御＞
制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態ではないと判断する場合、蓄電装置Ｂの電圧または充電率（蓄電装置Ｂの満充電容量に対する現在の充電容量の割合）に応じて、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを駆動させる。

【0040】

例えば、制御部３は、蓄電装置Ｂの電圧または充電率が大きくなるほど、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶに送る目標出力電圧を大きくし、蓄電装置Ｂの電圧または充電率が小さくなるほど、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶに送る目標出力電圧を小さくする。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、目標出力電圧が大きくなるほど、スイッチＳＷのオン、オフを制御する制御信号のデューティ比を大きくすることでＤＣＤＣコンバータＣＮＶの出力電圧を大きくする。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、目標出力電圧が小さくなるほど、制御信号のデューティ比を小さくすることでＤＣＤＣコンバータＣＮＶの出力電圧を小さくする。

【0041】

なお、制御部３は、燃料電池ＦＣの電圧が比較的高い場合に燃料電池ＦＣから蓄電装置Ｂに電流を引くことで燃料電池ＦＣの電圧を低下させる高電位回避処理を行う。具体的には、制御部３は、燃料電池ＦＣの電圧が上限値以上になると、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶを介して蓄電装置Ｂに流れる電流が増加するようにＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作を制御し、燃料電池ＦＣの電圧を上限値より小さい電圧に変化させる。これにより、燃料電池ＦＣの電圧が上限値を超える状態を低減することができるため、燃料電池ＦＣの電圧が比較的高くなることで燃料電池ＦＣが劣化することを抑制することができる。

【0042】

＜蓄電装置Ｂが満充電状態ではない場合のエアコンプレッサＡＣＰのモータの動作制御＞
制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態ではないと判断する場合、蓄電装置Ｂを充電するために必要な電力が燃料電池ＦＣから出力されるように、エアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御する。

【0043】

例えば、制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態ではないと判断する場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを駆動させている場合における燃料電池ＦＣの発電時、蓄電装置Ｂの電圧または充電率に応じて、燃料電池ＦＣから出力される電力が段階的に変化するように、エアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御する。すなわち、制御部３は、蓄電装置Ｂの電圧または充電率が閾値ｔｈ１以下である場合、燃料電池ＦＣから電力Ｐ３が出力されるように、エアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御する。また、制御部３は、蓄電装置Ｂの電圧または充電率が閾値ｔｈ１より大きく、閾値ｔｈ２以下である場合、燃料電池ＦＣから電力Ｐ２が出力されるように、エアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御する。また、制御部３は、蓄電装置Ｂの電圧または充電率が閾値ｔｈ２より大きい場合、燃料電池ＦＣから電力Ｐ１が出力されるように、エアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御する。なお、閾値ｔｈ１＜閾値ｔｈ２とする。また、電力Ｐ１＜電力Ｐ２＜電力Ｐ３とする。

【0044】

＜蓄電装置Ｂが満充電状態である場合のＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作制御＞
制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態であると判断する場合、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させる。すなわち、制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態であると判断する場合、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶのスイッチＳＷを常時オフさせる。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶが停止している場合で、かつ、蓄電装置Ｂの電圧が燃料電池ＦＣの電圧より大きい場合では、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶのダイオードを介して蓄電装置Ｂに電流が流れない。

【0045】

＜蓄電装置Ｂが満充電状態である場合のエアコンプレッサＡＣＰのモータの動作制御＞
制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態であると判断する場合、燃料電池ＦＣの電圧（電圧計ＳＶ１により計測される電圧）が上限値と下限値との間で一定になるようにエアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御することで、燃料電池ＦＣを発電させる。

【0046】

例えば、制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態であると判断する場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合において、燃料電池ＦＣの発電を停止する。なお、燃料電池ＦＣによる発電を停止とは、燃料電池ＦＣの発電量が完全にゼロになる場合だけでなく、燃料電池ＦＣによる発電を抑制し、燃料電池ＦＣの発電量が限りなくゼロに近くなる場合も含まれる。その時、期間Ｔ１（第１の期間）においてエアコンプレッサＡＣＰのモータを最低回転数により動作させる処理と、期間Ｔ２（第２の期間）においてエアコンプレッサＡＣＰのモータを停止させる処理とを交互に繰り返し行う。なお、最低回転数とは、エアコンプレッサＡＣＰから最も小さい流量の酸化ガスが出力されるときのエアコンプレッサＡＣＰのモータの回転数とする。

【0047】

なお、制御部３は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、期間Ｔ１において水素タンクＨＴから燃料電池ＦＣへ燃料ガスが供給され、期間Ｔ２において水素タンクＨＴから燃料電池ＦＣへ燃料ガスが供給されないようにインジェクタＩＮＪの動作を制御するように構成してもよい。このように構成する場合は、燃料電池ＦＣ内の燃料ガスの圧力が一定になるように、インジェクタＩＮＪの動作を制御する場合に比べて、燃料ガスの消費量を低減することができるため、車両Ｖｅの燃費を向上させることができる。

【0048】

＜期間Ｔ１、Ｔ２の取得例＞
制御部３は、エアコンプレッサＡＣＰのモータを最低回転数で駆動させている場合において、エアコンプレッサＡＣＰから燃料電池ＦＣに供給される単位時間Ｔあたりの酸素の量Ｖｏ１（すなわち、単位時間酸素供給量）と、燃料電池ＦＣにおいて水素極から電解質膜を介して酸素極に透過（クロスリーク）する単位時間Ｔあたりの水素の量と反応する酸素の量Ｖｏ２（すなわち、単位時間反応酸素量）との比を求め、その比から単位時間Ｔのうちの期間Ｔ１と単位時間Ｔのうちの期間Ｔ１以外の期間Ｔ２を取得する。

【0049】

すなわち、まず、制御部３は、下記式１を計算することにより、酸素の量Ｖｏ１を求める。なお、エアコンプレッサＡＣＰから燃料電池ＦＣに供給される単位時間Ｔあたりの酸化剤ガスの量［ｍｏｌ］：その酸化剤ガスに含まれる酸素の量［ｍｏｌ］＝５：１とする。

【0050】

酸素の量Ｖｏ１＝エアコンプレッサＡＣＰから燃料電池ＦＣに供給される単位時間Ｔあたりの酸化剤ガスの量／５ ・・・式１

【0051】

次に、制御部３は、下記式２を計算することにより、酸素の量Ｖｏ２を求める。なお、燃料電池ＦＣにおいて水素極から電解質膜を介して酸素極に透過する単位時間Ｔあたりの水素の量［ｍｏｌ］：その水素の量に反応する酸素の量［ｍｏｌ］＝２：１とする。

【0052】

酸素の量Ｖｏ２＝燃料電池ＦＣにおいて水素極から電解質膜を介して酸素極に透過する単位時間Ｔあたりの水素の量／２ ・・・式２

【0053】

次に、制御部３は、下記式３を計算することにより、期間Ｔ１を求める。

【0054】

期間Ｔ１＝（酸素の量Ｖｏ２／酸素の量Ｖｏ１）×単位時間Ｔ ・・・式３

【0055】

そして、制御部３は、下記式４を計算することにより、期間Ｔ２を求める。

【0056】

期間Ｔ２＝単位時間Ｔ－期間Ｔ１ ・・・式４

【0057】

なお、制御部３は、記憶部２から期間Ｔ１及び期間Ｔ２を読み出すことにより、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を取得するように構成してもよい。この場合、期間Ｔ１及び期間Ｔ２は、実験やシミュレーションなどにより予め求め、記憶部２に記憶させておくものとする。

【0058】

図２は、制御部３の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図２に示すフローチャートは、制御部３の動作周期毎に行われるものとする。

【0059】

まず、制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態ではないと判断する場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを駆動させている場合における燃料電池ＦＣの発電時（ステップＳ１：Ｎｏ）、蓄電装置Ｂの電圧または充電率に応じて、インジェクタＩＮＪ、エア調圧弁ＡＲＶ、及びエアコンプレッサＡＣＰのモータの動作を制御することで燃料電池ＦＣを発電させるとともに、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作を制御することで燃料電池ＦＣの電圧を上昇させて、蓄電装置Ｂを充電させる（ステップＳ２）。なお、制御部３は、ステップＳ２において、負荷Ｌｏから要求される電力も考慮して、インジェクタＩＮＪ、エア調圧弁ＡＲＶ、エアコンプレッサＡＣＰのモータ、及びＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作を制御するように構成してもよい。

【0060】

一方、制御部３は、蓄電装置Ｂが満充電状態であると判断する場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、期間Ｔ１、Ｔ２を取得する（ステップＳ３）。

【0061】

次に、制御部３は、期間Ｔ１が経過するまで、エアコンプレッサＡＣＰのモータを最低回転数で駆動させる（ステップＳ４、ステップＳ５：Ｎｏ）。

【0062】

次に、制御部３は、期間Ｔ１が経過すると（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、期間Ｔ２が経過するまで、エアコンプレッサＡＣＰのモータを停止させる（ステップＳ６、ステップＳ７：Ｎｏ）。

【0063】

そして、制御部３は、期間Ｔ２が経過すると（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、次回の動作周期まで待機する。

【0064】

ここで、図３（ａ）は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時の燃料電池ＦＣの電圧の変動例を示す図である。なお、図３（ａ）に示す二次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池ＦＣの電圧を示している。また、燃料電池ＦＣの電圧の上限値及び下限値は、燃料電池ＦＣの耐電圧や定格電圧により設定されるものとする。

【0065】

上述のように、制御部３は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、期間Ｔ１においてエアコンプレッサＡＣＰのモータを最低回転数により駆動させる処理と、期間Ｔ２においてエアコンプレッサＡＣＰのモータを停止させる処理とを交互に繰り返し行う。

【0066】

一般に、燃料電池ＦＣの電解質膜を透過する単位時間Ｔあたりの水素の量は比較的少ないため、図３（ａ）に示すように、期間Ｔ１を比較的短くすることで、期間Ｔ１における燃料電池ＦＣの電圧の上昇を抑えることができる。また、期間Ｔ１が比較的短くなり、燃料電池ＦＣに供給される酸素の量が比較的少なくなると、酸素極から電解質膜を介して水素極に透過する酸素の量も比較的少なくなるため、水素極における水素と酸素の燃焼を抑えることができる。そのため、図３（ａ）に示すように、期間Ｔ２における燃料電池ＦＣの電圧の低下を抑えることができる。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、燃料電池ＦＣの電圧の変動幅を抑えることができる。そして、燃料電池ＦＣの電圧の変動幅を抑えることができるため、燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができる。

【0067】

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、微小な量の酸化剤ガスを燃料電池ＦＣに供給することが可能なエアコンプレッサを用意する必要がないため、燃料電池システム１の製造コストの増大を抑制することができる。

【0068】

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、燃料電池ＦＣの電圧が上限値を超えることを抑えることができるため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの駆動回数を低減することができ、蓄電装置Ｂの電圧が不必要に上昇することを抑制することができる。

【0069】

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、燃料ガスの消費量を低減することができるため、車両Ｖｅの燃費を向上させることができる。また、燃料ガスの消費量を低減することができるため、燃料電池ＦＣへの燃料ガスの供給回数が低減され、水つまりを抑制することができる。そのため、水つまりを解消するための複雑な制御を行う必要がなく、制御部３にかかる負荷を低減することができる。

【0070】

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、スイッチＳＷが停止しているときで、かつ、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｂの電圧より高い場合、燃料電池ＦＣからダイオードＤを介して蓄電装置Ｂに電流が流れて燃料電池ＦＣの電圧が低下するため、燃料電池ＦＣの電圧が比較的高くなることで燃料電池ＦＣが劣化することを抑制することができる。

【0071】

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

【0072】

＜変形例＞
上記実施形態では、制御部３は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、単位時間Ｔを期間Ｔ１及び期間Ｔ２により構成しているが、期間Ｔ１を複数の期間Ｔ１´に等分するとともに期間Ｔ２を複数の期間Ｔ２´に等分し、単位時間Ｔを複数の期間Ｔ１´及び複数の期間Ｔ２´により構成してもよい。

【0073】

例えば、制御部３は、図３（ｂ）に示すように、期間Ｔ１を期間Ｔ１１と期間Ｔ１２とに分割するとともに期間Ｔ２を期間Ｔ２１と期間Ｔ２２とに分割し、単位時間Ｔを期間Ｔ１１、期間Ｔ２１、期間Ｔ１２、及び期間Ｔ２２により構成する。なお、期間Ｔ１１＝期間Ｔ１２とする。また、期間Ｔ２１＝期間Ｔ２２とする。

【0074】

変形例の燃料電池システム１によれば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、燃料電池ＦＣに酸素が供給される期間Ｔ１１、Ｔ１２をそれぞれさらに短くすることができるため、燃料電池ＦＣの電圧の上昇及び低下をより抑えることができる。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させている場合における燃料電池ＦＣの発電停止時、燃料電池ＦＣの電圧の変動幅をさらに抑えることができる。

【符号の説明】

【0075】

１ 燃料電池システム
２ 記憶部
３ 制御部
Ｖｅ 車両
ＨＴ 水素タンク
ＩＮＪ インジェクタ
ＡＣＰ エアコンプレッサ
ＡＲＶ エア調圧弁
ＦＣ 燃料電池
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｌ インダクタ
ＳＷ スイッチ
Ｄ ダイオード
Ｃ コンデンサ
Ｂ 蓄電装置
ＳＶ１、ＳＶ２ 電圧計
ＳＩ 電流計
Ｌｏ 負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】