JP2007265653A

JP2007265653A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007265653A
Application number: JP2006085596A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Goto; 健一後藤; Hitoshi Igarashi; 仁五十嵐
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】アイドリングストップから復帰した後の発電状態にて音響振動性能を向上した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。バッテリ１０７は、燃料電池システム１０２の発電電力で充電される一方、燃料電池の発電電力が不足する場合に電力を供給する。コントローラ１０９は、燃料電池の低負荷時に、少なくとも酸化剤ガスの燃料電池への供給を一時的に停止し、燃料電池の発電を一時的に停止してアイドリングストップ状態に移行する一方、アイドリングストップ状態を解除して少なくとも酸化剤ガスの供給を再開し発電を再開するアイドリングストップ制御を行う。またコントローラ１０９は、アイドリングストップ状態を解除して発電状態に移行した後に、バッテリ１０７への充電を通常運転時より抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アイドリングストップを行う燃料電池システムに係り、特に、アイドリングストップから発電状態への復帰後の音響振動特性を改善した燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの燃費効率を高めるために、低負荷時に発電を一時停止するアイドリングストップを行う燃料電池システムがある。このようなシステムでは、燃料電池から充電される蓄電装置を備え、低負荷時には燃料電池の発電を停止させて、蓄電装置から負荷装置へ電力供給している。これにより相対的に発電効率が低い低負荷での燃料電池発電を回避し、燃料電池システムの燃費効率を向上させることができる。

このようなアイドリングストップは、負荷範囲が広い車両用燃料電池システムに特に有効であり、例えば、特許文献１に記載された燃料電池車両のアイドル制御装置が知られている。この制御装置によれば、車両の状態が所定のアイドル状態と判断されたときに、コンプレッサを停止して燃料電池の発電を停止する機能を備えている。そして、アイドル停止中に蓄電装置であるキャパシタの残容量が所定値以下に低下した時には、キャパシタの電力によりコンプレッサを駆動して燃料電池を再起動し、再起動された燃料電池を通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域で発電させて、キャパシタを充電させている。

そして、アイドリングストップ状態を解除して燃料電池を発電状態とするときは、次回のアイドリングストップに備え、キャパシタに対し多くの充電を行うように燃料電池システムを制御していた。
特開２００４−０５６８６８号公報（第５頁、図２）

しかしながら、上記従来技術にあっては、アイドリングストップ状態を解除して発電を再開したあと、空気コンプレッサが通常運転状態に対し、蓄電装置への充電分だけ多く駆動されることになる。したがって、従来のアイドリングストップ解除時には、空気コンプレッサが停止して非常に静寂な状態から、通常より大きい空気コンプレッサ駆動音の状態へ移行する。これにより、音響振動性能の悪化を招き、運転者に対して違和感や不快感を与えるといった問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アイドリングストップから復帰した後の発電状態にて音響振動性能を向上した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと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と、該燃料電池の発電電力で充電される一方、該燃料電池の発電電力が不足する場合に電力を供給する蓄電手段と、少なくとも酸化剤ガスの燃料電池への供給を一時的に停止し、前記燃料電池の発電を一時的に停止してアイドリングストップ状態に移行する一方、アイドリングストップ状態を解除して少なくとも酸化剤ガスの供給を再開し発電を再開するアイドリングストップ制御手段と、前記蓄電手段の蓄電量に応じて前記燃料電池の発電量を増加させて蓄電手段へ充電する充電制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記充電制御手段は、アイドリングストップ状態を解除して発電状態に移行した後に、前記蓄電手段への充電を通常運転時より抑制することを要旨とする。

上記構成の本発明によれば、アイドリングストップ復帰後は、蓄電手段への充電を通常運転時より抑制するので、燃料電池の発電量を抑制することができ、その分、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を抑制するために、酸化剤ガスを供給する空気コンプレッサ等が発生する騒音が低下する。

上記の通常時より蓄電手段への充電抑制には、充電開始を遅延させること、充電電流を通常時より小さく制限すること、充電電流の増加率が小さくなるように制限することが含まれる。これらにより、アイドリングストップ中の静寂に慣れたユーザーがアイドリングストップ解除後の酸化剤ガス供給開始に伴う音響振動を抑制し、違和感を和らげることができる。

本発明によれば、アイドリングストップから復帰した後は、本来であれば蓄電手段の残量が低いため、より早く蓄電手段に充電するために燃料電池の発電量が大きくなり、これに伴って空気コンプレッサの回転数が高くなるのに対し、蓄電手段充電を抑制するので、空気コンプレッサの回転数が抑えられ、騒音レベルも小さくなるので、アイドリングストップ中の静寂に慣れた運転者に対して与える違和感や不快感を軽減することができるという効果がある。

以下、本発明を適用した燃料電池車両及びその制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［燃料電池車両の説明］
図１は本発明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は本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。

図１において、燃料電池車両１０１は、車両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、バッテリ１０７、リレー１０８ならびにコントローラ１０９を備えている。また、燃料電池車両１０１は、シフトレバーの位置を検出するシフト位置センサ１１１、ブレーキ操作の有無を検出するブレーキセンサ１１２、ならびにアクセル操作量を検出するアクセルセンサ１１３を備えている。

燃料電池システム１０２は、駆動モータ１０４が消費する電力やバッテリ１０７の充電に必要な電力が発電できるように、燃料電池システム１０２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。

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、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。

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。マイクロホン１１６は、車室内の音を電気信号に変換する。コントローラ１０９は、マイクロホン１１６からの電気信号に基づいて車室内の騒音レベルに関する値を算出する。

バッテリ１０７は、車両のアイドリングストップ時など、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。バッテリ１０７には、バッテリ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、コントローラ１０９は、バッテリ１０７の蓄電量（ＳＯＣ）を推定する。

リレー１０８は、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。

コントローラ１０９は、燃料電池車両１０１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。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制御及び蓄電手段としてのバッテリへの充電制御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。

［燃料電池ＰＰの説明］
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。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。

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。

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。

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。

水素供給系は、水素供給手段として水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク２０２、元弁２０３、高圧水素タンク２０２から供給される高圧水素ガスの圧力を燃料電池スタック２０１の運転圧力まで減圧して調整する水素調圧弁２０４、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２０５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路２０７を循環させる水素循環ポンプ２０８、ならびに水素極通路となる水素供給路２０６を有している。

高圧水素タンク２０２から供給される水素ガスは、水素調圧弁２０４を通って水素供給路２０６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２０４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。

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、水素循環路２０７を通って水素循環ポンプ２０８により循環され、エゼクタ２０５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。

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。水素循環路２０７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、水素循環路２０７内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。

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２１６と、空気極への空気供給通路となる空気供給配管２１４、空気極で使用済みの空気を排出する排気管２１５を有している。

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計２１３が設けられいる。

空気調圧弁２１６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２１６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。

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２１６を介して排出される。

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。

［アイドリングストップの説明］
システム制御部２１８は、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２１８は、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る。

また、システム制御部２１８は、少なくとも酸化剤ガスの燃料電池への供給を一時的に停止し、燃料電池スタック２０１の発電を一時的に停止してアイドリングストップ状態に移行する一方、アイドリングストップ状態を解除して少なくとも酸化剤ガスの供給を再開し発電を再開するアイドリングストップ制御手段と、バッテリ１０７の蓄電量に応じて燃料電池スタック２０１の発電量を増加させてバッテリ１０７へ充電する充電制御手段とを兼ねていて、システム制御部２１８は、アイドリングストップ状態を解除して発電状態に移行した後に、バッテリ１０７への充電を通常運転時より抑制するように制御する。

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。

図３において、先ずステップ（以下、ステップをＳと略す）１１において、先ず水素調圧弁２０４を閉じて燃料ガスの水素の供給を停止し、次いでＳ１２においてパージ弁２１０を閉じ、Ｓ１３で水素循環ポンプ２０８の駆動を停止する。次いでＳ１４で、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、Ｓ１５で冷却水ポンプの駆動を停止する。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。

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２０８や空気コンプレッサ２１２等の補機類の運転を止め、燃費の向上に加えて、音響振動性能の向上、低消費電力化を図っている。

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。

図４において、先ずＳ２１で、水素調圧弁２０４を開いて水素の供給を開始するとともに、Ｓ２２で空気コンプレッサ２１２を駆動し空気調圧弁２１６を開き空気の供給を開始する。その後、Ｓ２３で発電を開始するとともに、Ｓ２４で冷却水ポンプを駆動して冷却水の供給を開始する。これにより、システム制御部２１８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。

［アイドリングストップ復帰後の充電機能の説明］
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がアイドリングストップ状態から通常の発電状態に戻ったあとのバッテリへの充電方法について説明する。

通常の発電状態では、燃料電池の発電量は、駆動モータが要求する駆動力相当の電力と、燃料電池自体を運転するために必要な補機電力と、バッテリに充電する電力との合計として求められる。また。このバッテリへの充電量は、例えばバッテリの残存量に応じて求められたり、燃料電池の発電効率のよい発電量になるように充電する電力を求めたりしている。

図６は、本実施例におけるアイドリングストップ状態からの復帰後にバッテリへ充電する場合の様子を説明するタイムチャートであり、図５は、本発明を適用しない比較例におけるタイムチャートである。

図５の比較例において、アイドリングストップ中にバッテリからの放電によりバッテリ１０７蓄電量（ＳＯＣ）が低下し、時刻ｔ１において、ＳＯＣがアイドリングストップ復帰条件である例えば４０％まで低下したとする。このＳＯＣ条件を判定したシステム制御部２１８は、図４に示したフローチャートに従って、アイドリングストップ復帰制御を開始し、空気コンプレッサ２１２を起動する。そして例えば時刻ｔ２において、燃料電池スタックが発電可能となり発電電流の取り出しが始まる。

そして、時刻ｔ３においてバッテリへの充電が始まる。その後充電が進み、例えば時刻ｔ４においてバッテリＳＯＣが充電目標値、例えば７０％に達したときに充電停止操作を開始し、水素供給を絞るとともに空気コンプレッサの回転速度を低下させ、時刻ｔ５で通常のアイドル時の回転速度に達する。

時刻ｔ２から時刻ｔ４にかけて、システム制御部２１８は、通常のアイドル分の補機消費電力に加えて、バッテリ充電分の発電電流が得られるように、水素及び空気を供給する。このため、通常のアイドル分の空気コンプレッサ２１２の回転速度８００［ｒｐｍ］ではなく、空気コンプレッサ２１２は、充電分も加えた空気量を供給するために、例えば、１９００［ｒｐｍ］で駆動される。

このように比較例においては、充電を要するアイドリングストップ復帰時には、空気コンプレッサの回転数は、例えば１９００［ｒｐｍ］と、アイドリングストップ状態に対し大きく上がってしまい、音響振動レベルが高い状態となり、アイドリングストップ状態の静寂感に慣れたドライバは違和感を感じてしまう。

本実施例では、図６に示すように、時刻ｔ１でアイドリングストップから復帰すると判断するまでは、比較例と同様であるが、アイドルストップから復帰したあとは、比較例、或いは通常のアイドル時のバッテリ充電に対して、バッテリへの充電電流の大きさを通常時より小さくなるように抑制する。この結果、空気コンプレッサの回転数を、例えば１３００［ｒｐｍ］と、通常時のアイドル時の充電状態の１９００［ｒｐｍ］より低く抑制することができ、騒音レベルも小さくなるので、アイドリングストップ中の静寂に慣れた運転者に対して与える違和感や不快感を軽減することができるという効果がある。

このアイドリングストップ復帰後の充電電流の大きさは、例えば、アイドリングストップ継続時間の長さに応じて可変としてもよい。即ち、図９（ａ）に示すように、アイドリングストップ継続時間が長いほど、充電電流が少なくなるように制限する。アイドリングストップ継続時間が長いほど、ユーザは静音状態に慣れているので、このように充電電流を制御すると、充電開始時の違和感や不快感を更に軽減することができる。

また、アイドリングストップ復帰後の充電電流の大きさは、例えば、車速センサが検出したアイドリングストップ復帰時の車速に応じて可変としてもよい。即ち、図１０（ａ）に示すように、アイドリングストップ復帰時の車速が低いほど、充電電流が少なくなるように制限する。車速が低ければ、車両の走行音が小さいので、ドライバは空気コンプレッサが発する騒音を感じやすく、逆に車速が高ければ、空気コンプレッサの騒音は走行音に隠れ易い。このように充電電流を制御すると、充電開始時の違和感や不快感を更に軽減することができる。

また、アクセルセンサ１１３が検出したアイドリングストップ復帰時のアクセル操作量に応じて、アイドリングストップ復帰後の充電電流の大きさを可変としてもよい。この傾向は、図１０（ａ）に示した車速に対する充電電流の変化と同じ傾向である。

アイドリングストップ復帰時のアクセル操作量が大きいほど、ドライバは音響振動レベルが高い状態を許容可能と思われるので、アクセル操作量に応じて充電する方法を可変とすることで、必要最低限の音響振動レベルの抑制に抑えられる。

さらに、マイクロホン１１６から入力した車室内音響信号に基づいて算出したアイドリングストップ復帰時の車室内騒音レベルに応じて、アイドリングストップ復帰後の充電電流の大きさを可変としてもよい。この傾向は、図１０（ａ）に示した車速に対する充電電流の変化と同じ傾向である。

アイドリングストップ復帰時の車室内の騒音が大きいほど、ドライバは音響振動レベルが高い状態を許容可能と思われるので、車室内の騒音レベルに応じて充電する方法を可変とすることで、必要最低限の音響振動レベルの抑制に抑えられる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２について説明する。本実施例は、アイドリングストップ解除後に燃料電池が発電状態へ復帰したとき、バッテリへの充電開始を充電開始遅延時間だけ遅らせることにより、バッテリへの充電を抑制することを特徴とする。

実施例２の燃料電池システムが搭載される燃料電池車両の例、及び実施例２が適用される燃料電池システムの構成例は、図１、図２に示した実施例１と同様である。また、燃料電池システムをアイドリングストップへ移行させる処理、燃料電池システムをアイドリングストップから復帰させる処理も図３、図４に示した実施例１と同様である。

図７は、本実施例におけるアイドリングストップ状態からの復帰後にバッテリへ充電する場合の様子を説明するタイムチャートである。アイドリングストップ状態から復帰すると判断した時点（ｔ１）から充電開始遅延時間が経過する時刻ｔａまで、バッテリへの充電開始を遅延させることで、バッテリへの充電を抑制している。この充電開始遅延時間の間は、燃料電池スタックは、補機消費電力分相当の通常のアイドル分だけ発電するので、空気コンプレッサの回転速度は、通常のアイドル時の８００［ｒｐｍ］となる。そして、この通常のアイドル時の空気コンプレッサ発生騒音にユーザが慣れた後（時刻ｔａ）に、バッテリ充電を開始し、空気コンプレッサの回転速度を通常の充電時の回転速度、例えば１９００［ｒｐｍ］まで上昇させるので、アイドリングストップ復帰直後に空気コンプレッサの回転速度を１９００［ｒｐｍ］まで上昇させるのに比べて、運転者に対して与える違和感や不快感を軽減することができるという効果がある。

この充電開始遅延時間の長さは、例えば、アイドリングストップ継続時間の長さに応じて可変としてもよい。即ち、図９（ｂ）に示すように、アイドリングストップ継続時間が長いほど、充電開始遅延時間の長さが長くなるように制御する。アイドリングストップ継続時間が長いほど、ユーザは静音状態に慣れているので、このように充電開始遅延時間の長さを制御すると、充電開始時の違和感や不快感を更に軽減することができる。

また、充電開始遅延時間の長さは、例えば、車速センサが検出したアイドリングストップ復帰時の車速に応じて可変としてもよい。即ち、図１０（ｂ）に示すように、アイドリングストップ復帰時の車速が低いほど、充電開始遅延時間の長さが長くなるように制御する。車速が低ければ、車両の走行音が小さいので、ドライバは空気コンプレッサが発する騒音を感じやすく、逆に車速が高ければ、空気コンプレッサの騒音は走行音に隠れ易い。このように充電開始遅延時間の長さを制御すると、充電開始時の違和感や不快感を更に軽減することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３について説明する。本実施例は、アイドリングストップ解除後に燃料電池が発電状態へ復帰したとき、バッテリへの充電電流の増加率を制限することにより、バッテリへの充電を抑制することを特徴とする。

実施例３の燃料電池システムが搭載される燃料電池車両の例、及び実施例３が適用される燃料電池システムの構成例は、図１、図２に示した実施例１と同様である。また、燃料電池システムをアイドリングストップへ移行させる処理、燃料電池システムをアイドリングストップから復帰させる処理も図３、図４に示した実施例１と同様である。

図８は、本実施例におけるアイドリングストップ状態からの復帰後にバッテリへ充電する場合の様子を説明するタイムチャートである。時刻ｔ１でアイドリングストップ状態から復帰すると判断した後、時刻ｔ２で燃料電池スタックから電流取り出し可能となり、補機消費電流をバッテリから燃料電池へ切り替わる。そして時刻ｔ３で発電電流が補機消費電流を上回り充電開始する。このとき、充電電流の時間当たり増加率を制限し、これに応じて空気コンプレッサ２１２の回転速度の上昇率も制限される。

この充電電流の時間当たりの増加率を制限することにより、空気コンプレッサの回転速度は、時刻ｔ２（またはｔ３）における通常のアイドル時の８００［ｒｐｍ］から、例えば、時刻ｔｂにおける通常の充電時の空気コンプレッサの回転速度１９００［ｒｐｍ］まで徐々に増加する。

このように、バッテリへの充電電流の時間当たりの増加率を制限するので、空気コンプレッサが発生する騒音が徐々に増加するので、アイドリングストップ復帰直後に空気コンプレッサの回転速度を通常の充電時の回転速度まで上昇させるのに比べて、運転者に対して与える違和感や不快感を軽減することができるという効果がある。

この充電電流の時間当たりの増加率の大きさは、例えば、アイドリングストップ継続時間の長さに応じて可変としてもよい。即ち、図９（ｃ）に示すように、アイドリングストップ継続時間が長いほど、充電電流の時間当たりの増加率が大きくなるように制御する。アイドリングストップ継続時間が長いほど、ユーザは静音状態に慣れているので、このように充電電流の時間当たりの増加率を制御すると、充電開始時の違和感や不快感を更に軽減することができる。

また、充電電流の時間当たりの増加率は、例えば、車速センサが検出したアイドリングストップ復帰時の車速に応じて可変としてもよい。即ち、図１０（ｃ）に示すように、アイドリングストップ復帰時の車速が低いほど、充電電流の時間当たりの増加率の大きさが大きくなるように制御する。車速が低ければ、車両の走行音が小さいので、空気コンプレッサが発する騒音を感じやすく、逆に車速が高ければ、空気コンプレッサの騒音は走行音に隠れ易い。このように充電電流の時間当たりの増加率を制御すると、充電開始時の違和感や不快感を更に軽減することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４について説明する。本実施例は、実施例１、２，３を併せて実施する実施例であり、実施例１〜３の効果を併せた効果がある。実施例４の燃料電池システムが搭載される燃料電池車両の例、及び実施例４が適用される燃料電池システムの構成例は、図１、図２に示した実施例１と同様である。また、燃料電池システムをアイドリングストップへ移行させる処理、燃料電池システムをアイドリングストップから復帰させる処理も図３、図４に示した実施例１と同様である。

図１１、図１２は、本実施例におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するフローチャートであり、図１３は、本実施例におけるアイドリングストップ状態からの復帰後にバッテリへ充電する場合の様子を説明するタイムチャートである。本実施例では、図９、図１０に示したような制御パラメータを予め記憶した制御テーブルＴWi＝ｆi、ＤIi＝gi 、Ｉi ＝ｈi （ｉ＝１，２，３）として参照している。

図１１のステップ（以下、ステップをＳと略す）３１において、アイドルストップ解除条件が成立しているか否かを判定する。この解除条件は、例えば、アクセル操作量が所定値以上、或いはバッテリのＳＯＣが所定値（例えば、４０％）以下等の条件である。Ｓ３１の判定がＮｏであれば、なにもせずにリターンする。Ｓ３１の判定がＹｅｓであれば、Ｓ３２へ進み、作業用フラグであるＦｌａｇの値を０に初期化し、さらに作業用パラメータのエリアを初期化する。

次いで、Ｓ３３で、アイドルストップ開始からアイドルストップ解除条件が成立したときまでのアイドルストップ継続時間Ｔが所定値Ｔ１以上であるか否かを判定する。この所定値Ｔ１は、アイドルストップ継続時間に対する複数の運転者の違和感の感じる程度に関するデータを収集し、この時間以下のアイドルストップ継続時間であれば、特にアイドルストップ解除後の充電抑制を行わなくてもあまり違和感がない時間を所定値Ｔ１として設定する。

Ｓ３３の判定がＹｅｓであればＳ３４へ進む。Ｓ３３の判定がＮｏであればＳ３５へ進む。Ｓ３４では、Ｆｌａｇを１にセットし、アイドルストップ継続時間Ｔに対する第１充電開始遅延時間ＴW1の関係を示す制御テーブルｆ１（Ｔ）を参照してＴW1を求め、アイドルストップ継続時間Ｔに対する第１充電電流増加率ＤI1の関係を示す制御テーブルｇ１（Ｔ）を参照してＤI1 を求め、アイドルストップ継続時間Ｔに対する第１充電電流制限値Ｉ1 の関係を示す制御テーブルｈ１（Ｔ）を参照してＩ1 を求めて、Ｓ３５へ進む。

次いで、Ｓ３５で、車速センサが検出した車速Ｖを読み込み、Ｓ３６で車速Ｖが所定値Ｖ１より小さいか否かを判定する。この所定値Ｖ１は、アイドルストップ復帰後の車速に対する複数の運転者の違和感の感じる程度に関するデータを収集し、この車速以上の車速であれば、特にアイドルストップ解除後の充電抑制を行わなくてもあまり違和感がない車速を所定値Ｖ１として設定する。

Ｓ３６の判定がＹｅｓであればＳ３７へ進む。Ｓ３６の判定がＮｏであればＳ３８へ進む。Ｓ３７では、Ｆｌａｇを１にセットし、アイドルストップ復帰時の車速Ｖに対する第２充電開始遅延時間ＴW2の関係を示す制御テーブルｆ２（Ｖ）を参照してＴW2を求め、アイドルストップ復帰時の車速Ｖに対する第２充電電流増加率ＤI2の関係を示す制御テーブルｇ２（Ｖ）を参照してＤI2を求め、アイドルストップ復帰時の車速Ｖに対する第２充電電流制限値Ｉ2 の関係を示す制御テーブルｈ２（Ｖ）を参照してＩ2 を求めて、Ｓ３８へ進む。

次いで、Ｓ３８で、アクセルセンサが検出したアクセル操作量Ａを読み込み、Ｓ３９でアクセル操作量Ａが所定値Ａ１より小さいか否かを判定する。この所定値Ａ１は、アイドルストップ復帰後のアクセル操作量に対する複数の運転者の違和感の感じる程度に関するデータを収集し、このアクセル操作量以上の操作量であれば、特にアイドルストップ解除後の充電抑制を行わなくてもあまり違和感がないアクセル操作量を所定値Ａ１として設定する。

Ｓ３９の判定がＹｅｓであればＳ４０へ進む。Ｓ３９の判定がＮｏであればＳ４１へ進む。Ｓ４０では、Ｆｌａｇを１にセットし、アイドルストップ復帰時のアクセル操作量Ａに対する第３充電開始遅延時間ＴW3の関係を示す制御テーブルｆ３（Ａ）を参照してＴW3を求め、アイドルストップ復帰時のアクセル操作量Ａに対する第３充電電流増加率ＤI3の関係を示す制御テーブルｇ３（Ａ）を参照してＤI3を求め、アイドルストップ復帰時のアクセル操作量Ａに対する第３充電電流制限値Ｉ3 の関係を示す制御テーブルｈ３（Ａ）を参照してＩ3 を求めて、Ｓ４１へ進む。

次いで、Ｓ４１で、マイクロホンが検出した車室内音響信号を読み込み、この音響信号に基づいて車室内騒音レベルＮを算出する。次いで、Ｓ４２で車室内騒音レベルＮが所定値Ｎ１より小さいか否かを判定する。この所定値Ｎ１は、アイドルストップ復帰後の車室内騒音レベルに対する複数の運転者の違和感の感じる程度に関するデータを収集し、この車室内騒音レベル以上であれば、特にアイドルストップ解除後の充電抑制を行わなくてもあまり違和感がない車室内騒音レベルを所定値Ｎ１として設定する。

Ｓ４２の判定がＹｅｓであればＳ４３へ進む。Ｓ４２の判定がＮｏであればＳ４４へ進む。Ｓ４４では、Ｆｌａｇを１にセットし、アイドルストップ復帰時の車室内騒音レベルＮに対する第４充電開始遅延時間ＴW4の関係を示す制御テーブルｆ４（Ｎ）を参照してＴW4を求め、アイドルストップ復帰時の車室内騒音レベルＮに対する第４充電電流増加率ＤI4の関係を示す制御テーブルｇ４（Ｎ）を参照してＤI4を求め、アイドルストップ復帰時の車室内騒音レベルＮに対する第４充電電流制限値Ｉ4 の関係を示す制御テーブルｈ４（Ｎ）を参照してＩ4 を求めて、Ｓ４４へ進む。

Ｓ４４では、実際に充電抑制に使用する充電開始遅延時間ＴW 、充電電流増加率ＤI 、及び充電電流制限値Ｉを求める。充電開始遅延時間ＴW は、ＴW1、ＴW2、ＴW3、ＴW4の中から最大値を求めてＴW とする。充電電流増加率ＤI は、ＤI1、ＤI2、ＤI3、ＤI4の中から最小値を求めてＤI とする。充電電流制限値Ｉは、Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 、Ｉ4 の中から最小値を求めてＩとする。

次いで、Ｓ４５でフラグＦｌａｇの値が１であるか否かを判定し、Ｙｅｓであれば、充電抑制制御を行うために、図１２のＳ５１へ進む。Ｎｏであれば、充電抑制を行わず、通常の充電制御へ移る。

図１２のＳ５１以下のバッテリの充電抑制制御では、充電開始遅延制御と、充電電流増加率抑制制御と、充電電流制限制御とを行う。この充電電抑制制御の様子を示すタイムチャートが図１３である。

図１２において、先ずＳ５１で、時間が充電開始遅延時間ＴW が経過するまで待機する。このＴW が図１３のｔ１からｔａの期間に相当する。この間は、空気コンプレッサは、通常のアイドル分、即ち燃料電池の補機消費電力相当分だけ発電するのに必要な空気流量を供給するために、アイドル時の回転速度８００［ｒｐｍ］で運転される。

Ｓ５１でＴW 経過後、Ｓ５２へ進み、充電電流Ｉｃ＝ＤI で充電を開始する。次いで、Ｓ５３でバッテリＳＯＣを検出し、Ｓ５４でＳＯＣが充電終了に移行する所定値ＳＯＣ１（例えば、７０％）以上であるか否かを判定する。Ｓ５４の判定でＳＯＣがＳＯＣ１以上であれば、充電終了処理へ移行する。充電終了処理では、例えば、水素供給を通常のアイドリング時の水素圧力まで絞るとともに、空気コンプレッサの回転速度を通常のアイドリング時の空気供給量に対応する回転速度８００［ｒｐｍ］まで低下させる。

Ｓ５４の判定でＳＯＣがＳＯＣ１未満であれば、現在の充電電流Ｉｃで１秒間充電した後に、Ｓ５６へ進む。Ｓ５６では、充電電流ＩｃをＤI だけ増加させとともに、充電電流の増加分だけ空気コンプレッサの回転速度を増加させて、Ｓ５３へ戻る。こうして、充電電流の時間当たり増加率をＤI に制限してバッテリを充電することができる。この充電電流の時間当たり増加率を制限している期間が図１３の時刻ｔａから時刻ｔｂの期間である。

尚、Ｓ５６で充電電流ＩｃをＤI だけ増加させる際に、充電電流Ｉｃが充電電流制限値Ｉ以上か否かを判定し、充電電流Ｉｃが充電電流制限値Ｉ以上であれば、充電電流をＩに制限すると、充電電流の制限も同時に行うことができる。この充電電流制限期間が図１３の時刻ｔｂから時刻ｔ４の間の期間である。

本発明に係る燃料電池システムを適用した燃料電池車両の構成を説明する構成図である。本発明に係る燃料電池システムの構成を説明する構成図である。アイドリングストップ移行処理を説明するフローチャートである。アイドリングストップ復帰処理を説明するフローチャートである。本発明を適用しない比較例におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するタイムチャートである。本発明に係る燃料電池システムの実施例１におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するタイムチャートである。本発明に係る燃料電池システムの実施例２におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するタイムチャートである。本発明に係る燃料電池システムの実施例３におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するタイムチャートである。（ａ）実施例１におけるアイドリングストップ継続時間に対する充電電流値、（ｂ）実施例２におけるアイドリングストップ継続時間に対する充電開始遅延時間、（ｃ）実施例３におけるアイドリングストップ継続時間に対する充電電流増加率、の例を示す図である。（ａ）実施例１におけるアイドリングストップ復帰時車速に対する充電電流値、（ｂ）実施例２におけるアイドリングストップ復帰時車速に対する充電開始遅延時間、（ｃ）実施例３におけるアイドリングストップ復帰時車速に対する充電電流増加率、の例を示す図である。本発明に係る燃料電池システムの実施例４におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するフローチャートの前半部である。本発明に係る燃料電池システムの実施例４におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するフローチャートの後半部である。本発明に係る燃料電池システムの実施例４におけるアイドリングストップ解除後の充電制御を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１０１：燃料電池車両
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：バッテリ
１０８：リレー
１０９：コントローラ
１１１：シフト位置センサ
１１２：ブレーキセンサ
１１３：アクセルセンサ
１１４：バッテリ電圧センサ
１１５：バッテリ電流センサ
１１６：マイクロホン

Claims

燃料ガスと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と、
該燃料電池の発電電力で充電される一方、該燃料電池の発電電力が不足する場合に電力を供給する蓄電手段と、
少なくとも酸化剤ガスの燃料電池への供給を一時的に停止し、前記燃料電池の発電を一時的に停止してアイドリングストップ状態に移行する一方、アイドリングストップ状態を解除して少なくとも酸化剤ガスの供給を再開し発電を再開するアイドリングストップ制御手段と、
前記蓄電手段の蓄電量に応じて前記燃料電池の発電量を増加させて蓄電手段へ充電する充電制御手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記充電制御手段は、アイドリングストップ状態を解除して発電状態に移行した後に、前記蓄電手段への充電を通常運転時より抑制することを特徴とする燃料電池システム。
前記充電制御手段は、アイドリングストップ復帰後、充電開始遅延時間の間は前記蓄電手段の充電を行わないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記充電制御手段は、アイドリングストップ復帰後、前記蓄電手段への充電電流の増加率を通常運転時より小さく設定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。
前記充電制御手段は、アイドリングストップ復帰後、所定時間は前記蓄電手段への充電電流を通常運転時より小さく設定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。
前記充電制御手段は、前記充電開始遅延時間、前記充電電流増加率、前記充電電流は、アイドリングストップが継続していた時間であるアイドリングストップ時間に基づいて設定することを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムが搭載された車両の速度を検出する車速センサを備え、
前記充電制御手段は、アイドリングストップ復帰時の車速に基づいて、前記充電開始遅延時間、前記充電電流増加率、前記充電電流の何れかを設定することを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムが搭載された車両のアクセル操作量を検出するアクセルセンサを備え、
前記充電制御手段は、アイドリングストップ復帰時のアクセル操作量に基づいて、前記充電開始遅延時間、前記充電電流増加率、前記充電電流の何れかを設定することを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムが搭載された車両の車室内の騒音レベルを検出または推測する騒音レベル検出手段を備え、
前記充電制御手段は、アイドリングストップ復帰時の車室内の騒音レベルに基づいて、前記充電開始遅延時間、前記充電電流増加率、前記充電電流の何れかを設定することを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。