JP7054629B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の高電位劣化を抑制し得る燃料電池車両に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池車両では、車両駆動用モータの減速時に発生する回生電力を充電するためや、燃料電池の起動時・停止時等の制御のため等に、蓄電池等の蓄電装置を備えている。

特許文献１には、蓄電池の充電状態（ＳＯＣという。）が充電上限状態になった場合には、補機の運転効率を低下させて、余剰電力となるモータの回生電力を消費させる技術が開示されている（特許文献１の［００１３］、［００１４］）。

特開２００２－２０４５０５号公報

ところで、燃料電池では、アノードに対しカソードの電位が通常電位より高くなると触媒層が劣化し、燃料電池の出力が低下する（高電位劣化という。）。

しかしながら、特許文献１では、余剰電力を蓄電池に充電する際、燃料電池を最低限の発電電力で発電するように制御している（特許文献１の［００５０］）。このため、特許文献１での燃料電池は、そのＩＶ特性からアノードに対するカソードの電位が高電位になってしまい、高電位劣化が促進され高電位劣化を抑制することができなく改良の余地がある。

また、特許文献１では、補機であるエアコンプレッサの運転効率を低下させて余剰電力を消費させるようにしているので、エアコンプレッサ等の補機のＮＶ（ノイズ・振動）が乗員に不快感を与えてしまう。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、酸化剤ガス供給手段が発生するＮＶ（ノイズ・振動）を考慮しつつ、燃料電池の余剰発電量を、高電位劣化を抑制しながら消費させることを可能とする燃料電池車両を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池車両は、
負荷に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御部と、
蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電状態を取得する充電状態取得手段と、
前記燃料電池の余剰発電量を前記蓄電装置へ充電させるとともに、前記充電状態取得手段により取得された前記蓄電装置の充電状態に応じて、前記酸化剤ガス供給手段の駆動状態を駆動上限電力まで制御して、前記燃料電池の余剰発電量を消費させる余剰発電量消費制御部と、
車速を取得する車速取得手段と、を備え、
前記余剰発電量消費制御部は、前記車速取得手段により取得された前記車速に応じて前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を可変に設定する。

この発明によれば、車速に応じて酸化剤ガス供給手段の駆動上限電力を可変に設定しているので、例えば、前記酸化剤ガス供給手段のＮＶ（ノイズ・振動）が乗員に不快感を与えない範囲で、燃料電池の余剰発電量を前記酸化剤ガス供給手段により消費することができる。

この場合、該燃料電池車両の走行要求に伴う前記負荷の要求負荷を取得する要求負荷取得手段をさらに備え、
前記発電制御部は、
前記要求負荷取得手段により取得された前記要求負荷よりも高くて、前記燃料電池の劣化を抑制可能な発電領域にて前記燃料電池の発電を制御し、
前記余剰発電量消費制御部は、
劣化抑制発電制御時の前記余剰発電量を前記酸化剤ガス供給手段の駆動状態を制御することにより前記酸化剤ガス供給手段で消費させる。

この発明によれば、要求負荷が低い場合であっても、余剰発電量（余剰電力、余剰発電電力）を酸化剤ガス供給手段により消費させることで燃料電池を高負荷状態で発電させる。これにより、燃料電池の高電位劣化を抑制することができる。

なお、前記余剰発電量消費制御部は、
前記充電状態取得手段により取得された前記蓄電装置の充電状態が充電状態閾値となった場合、前記車速取得手段により取得されている車速が加速状態を示しているとき、前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を前記車速に応じて上昇させるようにしてもよい。

この発明によれば、車両の加速時に、ＮＶ（ノイズ・振動）を考慮して、酸化剤ガス供給手段による余剰電力の消費を的確に行い、燃料電池の高電位劣化を抑制することができる。

また、前記余剰発電量消費制御部は、
前記充電状態取得手段により取得された前記蓄電装置の充電状態が充電状態閾値となった場合、前記車速取得手段により取得されている車速が減速状態を示しているとき、前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を前記車速に応じて減少させるようにしてもよい。

この発明によれば、車両の減速時に、ＮＶを考慮して、酸化剤ガス供給手段による余剰電力の消費を的確に行い、燃料電池の高電位劣化を抑制することができる。

さらに、前記酸化剤ガス供給手段に、バルブを介して酸化剤ガスを外部に放出可能なバイパス流路を設け、酸化剤ガス供給手段により余剰電力を消費する際に余剰となる酸化剤ガスを、前記バイパス流路を通じて外部（大気）に放出することで、燃料電池の含水量を適量に制御することができる。

この発明によれば、酸化剤ガス供給手段が発生するＮＶ（ノイズ・振動）を考慮しつつ、燃料電池の余剰発電量を、高電位劣化を抑制しながら前記酸化剤ガス供給手段により消費させることができる。

この発明の実施形態に係る燃料電池車両の概略構成説明図である。 実施形態に係る燃料電池車両の第１実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 実施形態に係る燃料電池車両の第２実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 実施形態の動作原則の説明に供されるフローチャートである。 走行路の状態をパラメータとした車速・エアコンプレッサ上限電力特性図である。

以下、この発明に係る燃料電池車両について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

［構成］
図１に示すように、実施形態に係る燃料電池車両１０は、例えば、燃料電池電気自動車である。燃料電池車両１０は、燃料電池システム１２、高圧のバッテリ（蓄電装置）１４、電流制御器１５及びモータ（車両駆動用電動機）１６を備える。バッテリ１４は、二次電池やキャパシタ等を含む。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック（燃料電池）１８、酸化剤ガス供給装置２０、燃料ガス供給装置２２、冷却媒体供給装置２４及び制御装置２６を備える。

制御装置２６は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成され、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することで各種制御部等として動作する。この実施形態において、制御装置２６は、発電制御部２６Ａ及び余剰発電量消費制御部２６Ｂ等として機能する。

バッテリ１４には、バッテリ１４の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出して取得するＳＯＣセンサ２が接続されている。

図示しないアクセルペダルの操作によりアクセルペダルセンサ６を介してアクセル開度（アクセル操作量）θａｐが取得され、取得されたアクセル開度θａｐに応じて制御装置２６によりモータ１６が駆動され、駆動されたモータ１６を通じて図示しない車輪（駆動輪）が回転駆動される。モータ１６の回転数あるいは車輪の回転数が車速Ｖｖとして車速センサ４により取得される。

ＳＯＣセンサ２により取得された充電状態ＳＯＣ及びアクセルペダルセンサ６により取得されたアクセル開度θａｐ、及び車速センサ４により取得された車速Ｖｖは、制御装置２６に取り込まれる。

酸化剤ガス供給装置２０は、燃料電池スタック１８に酸化剤ガスを供給し、燃料ガス供給装置２２は、前記燃料電池スタック１８に燃料ガスを供給し、冷却媒体供給装置２４は、前記燃料電池スタック１８に冷却媒体を供給する。

制御装置２６は、図示しない制御線を通じて、電流制御器１５の制御を含め、燃料電池車両１０及び燃料電池システム１２全体（各構成要素）の制御を行う。

燃料電池スタック１８は、複数の発電セル２８が積層される。各発電セル２８は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４とを備えるＭＥＡを構成する。固体高分子電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

燃料電池スタック１８の出力（電力）は、制御装置２６による制御下に電流制御器１５を通じて負荷であるモータ１６やエアコンプレッサ４２等の補機に供給されるとともに、バッテリ１４に充電可能である。

この場合、モータ１６に対する力行・回生駆動制御、バッテリ１４に対する充放電制御、及びエアコンプレッサ４２（ＥＧＲポンプ４９、水素循環ポンプ７５、冷却ポンプ８２）等の補機に対する駆動制御、並びに電流制御器１５を通じて行われる燃料電池スタック１８の発電量制御は、制御装置２６の制御下に行われる。なお、繁雑を回避するために、電力線は、大電力が通流する、燃料電池スタック１８と電流制御器１５の間、並びに、電流制御器１５とバッテリ１４、モータ１６及びエアコンプレッサ４２との間のみ描いている。

エアコンプレッサ４２には、バッテリ１４の電力が直接、及び／又は燃料電池スタック１８の発電電力が電流制御器１５を通じて供給される。

なお、制御装置２６は、複数に分割することもできる。

燃料電池スタック１８には、アノード電極３２に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂが設けられる。

燃料電池スタック１８には、カソード電極３４に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。

燃料電池スタック１８には、各発電セル２８に冷却媒体を流通させる冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給装置２０は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ（エアポンプ、酸化剤ガス供給手段）４２を備え、前記エアコンプレッサ４２が空気供給流路４４に配設される。

空気供給流路４４には、加湿器４６と、バルブ４８を介して前記加湿器４６をバイパスするバイパス流路５０とが設けられる。空気供給流路４４は、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。

酸化剤ガス出口連通孔３８ｂには、加湿器４６を通じて、空気排出流路５２が連通する。空気排出流路５２と空気供給流路４４との間にはＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ポンプ４９が設けられている。

ＥＧＲポンプ４９は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから排出されたガスの一部を酸化剤ガス入口連通孔３８ａ側に還流させる。

エアコンプレッサ４２の空気供給流路４４側には、入口封止弁５３が配設されるとともに、バルブ５１を介して空気供給流路４４をバイパスするバイパス流路５７の入力部が接続される。

空気排出流路５２には、出口封止弁５４が設けられるとともに、出口封止弁５４の下流には、背圧制御弁５５を通じて希釈器５６が接続される。

背圧制御弁５５と希釈器５６との間に前記バイパス流路５７の出力部が接続される。

燃料ガス供給装置２２は、高圧水素を貯留する高圧水素タンク（蓄圧器、燃料ガス供給手段）５８を備え、該高圧水素タンク５８は、水素供給流路６０を介して燃料電池スタック１８の燃料ガス入口連通孔３６ａに連通する。水素供給流路６０には、遮断弁５９、圧力調整用のインジェクタ６１及びエゼクタ６４が、水素ガス流れ方向に沿って、順次、設けられる。

燃料電池スタック１８の燃料ガス出口連通孔３６ｂには、オフガス流路（空気排出流路）６６が連通する。オフガス流路６６は、気液分離器６８に接続されるとともに、前記気液分離器６８には、液体成分を排出するドレン流路７０と、気体成分を排出する気体流路７２とが設けられる。気体流路７２は、循環路７４及び水素循環ポンプ７５を介してエゼクタ６４に接続される一方、パージ弁７６の開放作用下に、希釈器５６に連通する。ドレン流路７０は、バルブ７８を介して希釈器５６に連通する。

希釈器５６は、燃料電池スタック１８の燃料ガス出口連通孔３６ｂから排出されるオフガス（水素ガスを含有する）と、前記燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから排出されるオフガス（酸素を含有する）とを混在させて、水素濃度を規定値以下に希釈する機能を有する。

冷却媒体供給装置２４は、燃料電池スタック１８の冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとに連通し、冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路８０を備える。冷却媒体循環路８０には、冷却媒体入口連通孔４０ａ側に近接して冷却ポンプ８２が配置されるとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂに近接してラジエータ８４が配置される。

発電セル２８には、インピーダンス抵抗値や電位を測定するインピーダンスセンサ８５が設けられる。

空気供給流路４４、空気排出流路５２、水素供給流路６０、オフガス流路６６及び高圧水素タンク５８の出口側には、それぞれ圧力計９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄ及び９２ｅが配置される。空気供給流路４４及び水素供給流路６０には、湿度計９４ａ、９４ｂが配置される。オフガス流路６６、空気排出流路５２及び冷却媒体循環路８０には、温度計９６ａ、９６ｂ及び９６ｃが配置される。

［燃料電池システム１２の通常動作］
このように構成される燃料電池システム１２の通常動作について、以下に説明する。

バルブ５１の閉弁下に、酸化剤ガス供給装置２０を構成するエアコンプレッサ４２を介して空気供給流路４４に空気（酸化剤ガス）が送られる。この空気は、加湿器４６を通って加湿された後、又は、バイパス流路５０を通って前記加湿器４６をバイパスした後、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。

なお、加湿器４６は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから排出される酸化剤ガスに含まれる水を回収し、回収した水を用いてエアコンプレッサ４２から供給される空気を加湿する。この加湿器４６の機能により、発電中の燃料電池スタック１８の固体高分子電解質膜３０は発電に適した程度に湿潤な状態に維持される。

一方、燃料ガス供給装置２２では、インジェクタ６１の開放作用下に、高圧水素タンク５８から水素供給流路６０に水素ガス（燃料ガス）が供給される。この水素ガスは、エゼクタ６４を通った後、燃料電池スタック１８の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される。

また、冷却媒体供給装置２４では、冷却ポンプ８２の作用下に、冷却媒体循環路８０から燃料電池スタック１８の冷却媒体入口連通孔４０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

空気は、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから各発電セル２８のカソード電極３４に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔３６ａから各発電セル２８のアノード電極３２に供給される。従って、各発電セル２８では、カソード電極３４に供給される空気と、アノード電極３２に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極３４に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに排出され、空気排出流路５２を流通して希釈器５６に導入される。同様に、アノード電極３２に供給されて消費された水素ガスは、オフガス（一部が消費された燃料ガス）として燃料ガス出口連通孔３６ｂに排出される。オフガスは、オフガス流路６６から気液分離器６８に導入されて液状水分が除去された後、気体流路７２から循環路７４を介してエゼクタ６４に吸引される。

また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、各発電セル２８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。冷却媒体は、冷却媒体循環路８０を通ってラジエータ８４により冷却され、さらに冷却ポンプ８２の作用下に、燃料電池スタック１８に循環供給される。

次に、燃料電池車両１０の通常動作について説明する。

［燃料電池車両１０の通常動作］
制御装置２６は、燃料電池スタック１８の状態、バッテリ１４の状態、モータ１６の状態、及びエアコンプレッサ４２等の補機の状態の他、各種スイッチ、各種センサ（ＳＯＣセンサ２、車速センサ４、アクセルペダルセンサ６等）からの入力に基づき、負荷の要求負荷を取得し、燃料電池スタック１８が負担する分担量、バッテリ１４が負担する分担量、及びモータ１６等の回生電源が負担する分担量の配分を調停しながら決定し、電流制御器１５に指令を送出する。

これにより、燃料電池車両１０は、停止状態（車両が停止し、燃料電池スタック１８のソーク状態）、アイドリング状態｛車両は停止しているが燃料電池スタック１８が発電している停車アイドリング状態（停車アイドリング中）｝、又は走行状態（燃料電池スタック１８の発電中であって車両の走行中）に切り替えられる。なお、停車アイドリング状態には、例えば、乗員の乗降、荷物の積み卸し、赤信号の他、渋滞追従自動走行中での前走車の停車に伴う停車等が含まれる。

［第１実施例：燃料電池車両１０の停車アイドリング中から走行中に至る際のＮＶ（ノイズ・振動）及び高電位劣化の抑制制御動作］
次いで、この発明の実施形態に係る燃料電池車両１０の運転制御方法｛停車アイドリング中から走行中に至る際の乗員が感じるＮＶ（ノイズ・振動）の抑制制御及び燃料電池スタック１８の高電位劣化の抑制制御｝について、図２のタイムチャートを参照して、以下に説明する。

図２のタイムチャートにおいて、横軸は時間、縦軸は、下段では車速Ｖｖ、中段ではエアコンプレッサ４２の電力消費量（エアコンプレッサ電力）Ｐａｐと燃料電池発電電力（発電電力）Ｐｆｃ、上段ではバッテリ１４への充電電力Ｐｂａｔｃ（バッテリ充電電力）をそれぞれ示している。

時点ｔ１～時点ｔ５の間では、車速ＶｖがＶｖ＝０なので、燃料電池スタック１８は、発電制御部２６Ａにより停車アイドリング中の発電状態に制御される。時点ｔ５にて燃料電池車両１０は発進し、時点ｔ５～時点ｔ６の間は加速走行期間とされる。また、時点ｔ６以降の期間は、定速走行期間とされる。

時点ｔ１～時点ｔ２の間、燃料電池スタック１８は、停車アイドリング中であり、一定の発電電力Ｐｆｃを発電している。なお、この一定の発電電力Ｐｆｃは、発電制御部２６Ａにより燃料電池スタック１８の高電位劣化が促進されない最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑに設定されている。

時点ｔ１～時点ｔ２の間で、エアコンプレッサ４２の電力消費量（エアコンプレッサ電力）Ｐａｐは、比較的に低レベルの一定状態にされている。

時点ｔ１～時点ｔ２の間では、概ね、発電電力Ｐｆｃからエアコンプレッサ電力Ｐａｐを引いた差分の電力（Ｐｆｃ－Ｐａｐ）が、バッテリ充電電力Ｐｂａｔｃとしてバッテリ１４に充電され、ＳＯＣセンサ２により取得される充電状態ＳＯＣが増加する。

そのため、時点ｔ１～時点ｔ２の間で、バッテリ１４の充電リミット（充電余力）Ｐｂａｔｃｌｉｍが徐々に小さくなる。

時点ｔ２にて、バッテリ１４の充電リミット（充電余力）Ｐｂａｔｃｌｉｍとバッテリ充電電力Ｐｂａｔｃとの差電力がゼロ値になると、燃料電池スタック１８の高電位劣化を促進させない最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑでの発電状態を継続させるために、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、時点ｔ２でエアコンプレッサ４２の回転数を上昇させ、エアコンプレッサ電力Ｐａｐを、停車アイドリング中の燃料電池車両１０の乗員が感じる許容可能なＮＶ（ノイズ・振動）レベルの上限値になるエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍまで増加させる。

なお、時点ｔ２で、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、エアコンプレッサ４２で発生する余剰な酸化剤ガスを希釈器５６側にバイパスするバルブ５１を開弁する。時点ｔ２以降、バルブ５１の開弁量をエアコンプレッサ４２の回転数の上昇分に合わせて増加させる。これにより、燃料電池スタック１８の余剰発電量をエアコンプレッサ４２で消費しつつ、必要以上の酸化剤ガスが、空気供給流路４４に流れないようにして、燃料電池スタック１８の含水量が適量に制御される。

必要以上の（余剰な）酸化剤ガスは、バルブ５１の開弁量が余剰発電量消費制御部２６Ｂにより制御されることで、バイパス流路５７を通じ、希釈器５６を介して外部（大気）に放出される。

このようにして、時点ｔ２～時点ｔ４の間で、エアコンプレッサ電力Ｐａｐが、余剰発電量消費のために大きくされる。時点ｔ２～時点ｔ３の間で、エアコンプレッサ電力Ｐａｐは、燃料電池車両１０の停車アイドリング中に許容されるエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ｛エアコンプレッサ４２のＮＶ（ノイズ・振動）の停車アイドリング中における許容限度｝に設定される。

このため、時点ｔ２～時点ｔ３の間で、概ね、発電電力Ｐｆｃからエアコンプレッサ電力Ｐａｐを引いた差分の電力（Ｐｆｃ－Ｐａｐ）が、バッテリ充電電力Ｐｂａｔｃ（時点ｔ１～時点ｔ２の間のバッテリ充電電力Ｐｂａｔｃに比較して小さい電力）としてバッテリ１４に充電される。

時点ｔ３にて、バッテリ１４の充電リミット（充電余力）Ｐｂａｔｃｌｉｍとバッテリ充電電力Ｐｂａｔｃとの差電力が再びゼロ値になると、過充電によるバッテリ１４の損傷を回避するため、時点ｔ３～時点ｔ４の間で、発電制御部２６Ａは、発電電力Ｐｆｃを徐々に下げ、時点ｔ４にて一定の発電電力Ｐｆｃにする。

時点ｔ３～時点ｔ５の間では、発電制御部２６Ａは、燃料電池スタック１８の最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑよりも小さい、最低限度の劣化促進を許容する発電電力Ｐｆｃに設定する。

時点ｔ５で燃料電池車両１０が発進し、時点ｔ５～時点ｔ６の間で加速状態にされる。時点ｔ５にて、バルブ５１が閉弁される。

時点ｔ５～時点ｔ６乃至時点ｔ６以降の走行時には、車室空間内でのエアコンプレッサ４２に基づくＮＶ（ノイズ・振動）が増加してもロードノイズ等も増加することから乗員に許容されることを考慮して、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、車速Ｖｖ（の値）に応じて、より詳しくは、車速Ｖｖの上昇に応じてエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍの設定値を増加させている。

時点ｔ５～時点ｔ６の加速時には、発電制御部２６Ａは、エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍの設定値の増加に比例させてエアコンプレッサ４２のエアコンプレッサ電力Ｐａｐを増加させるとともに、燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃも増加させる。

時点ｔ６以降の定速走行中では、発電制御部２６Ａにより、燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃを、燃料電池スタック１８が高電位劣化を促進しない最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑに設定して発電を継続しつつ、モータ１６を駆動制御する。

時点ｔ５～時点ｔ６及び時点ｔ６以降の走行時において、比較例に係るエアコンプレッサ電力Ｐａｐｒｅと、第１実施例に係るエアコンプレッサ電力Ｐａｐを対比すると、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、高電位劣化を促進しない最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑでの発電を継続させるために、第１実施例に係るエアコンプレッサ電力Ｐａｐを、エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ未満で、且つ比較例に係るエアコンプレッサ電力Ｐａｐｒｅより大きい電力に設定している。

言い換えれば、第１実施例では、燃料電池スタック１８で発電される発電電力Ｐｆｃの一部をエアコンプレッサ電力Ｐａｐの一部（Ｐａｐ－Ｐａｐｒｅ）として廃棄する（廃電という。）ように制御している。

なお、比較例に係るエアコンプレッサ電力Ｐａｐｒｅの場合には、燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃは、発電電力要求Ｐｆｃｒｅｑｒｅに設定されてしまうので、燃料電池スタック１８の高電位劣化が促進されてしまっていた。

以上説明した第１実施例の燃料電池車両１０の停車アイドリング中から走行中に至る際の燃料電池スタック１８の高電位劣化の抑制制御動作では、特に、停車アイドリング中から走行中に至る範囲でエアコンプレッサ電力Ｐａｐを、乗員が感じる車室内でのＮＶ（ノイズ・振動）の上限を考慮して増加させているので、その分、燃料電池発電電力Ｐｆｃが最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑを満たすシーン（割合）が増加し、燃料電池スタック１８の高電位劣化の促進が抑制される。

［第２実施例：燃料電池車両１０の走行中から停車アイドリング中に至る際のＮＶ（ノイズ・振動）及び高電位劣化の抑制制御動作］
次いで、この発明の実施形態に係る燃料電池車両１０の運転制御方法｛走行中から停車アイドリング中に至る際の乗員が感じるＮＶ（ノイズ・振動）の抑制制御及び高電位劣化の抑制制御｝について、図３のタイムチャートを参照して、以下に説明する。

図３のタイムチャートにおいて、横軸は時間、縦軸は、下段では車速Ｖｖ、中段ではエアコンプレッサ４２の電力消費量（エアコンプレッサ電力）Ｐａｐと燃料電池発電電力Ｐｆｃ、上段ではバッテリ１４のバッテリ電力Ｐｂａｔ（０値以上でバッテリ放電電力、０値未満でバッテリ充電電力）をそれぞれ示している。

時点ｔ１１～時点ｔ１２の間で燃料電池車両１０は、一定の車速Ｖｖで走行している。

また、時点ｔ１１～時点ｔ１２の間で、発電制御部２６Ａにより発電電力Ｐｆｃは、最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑより大きい状態に設定されて発電が継続されているので、燃料電池スタック１８の高電位劣化が抑制される。

さらに、時点ｔ１１～時点ｔ１２の間で、エアコンプレッサ電力Ｐａｐは、比較例に係るエアコンプレッサ電力Ｐａｐｒｅより大きく、乗員が感じる車室内でのＮＶ（ノイズ・振動）の上限値であるエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍより小さい電力に設定している。

さらにまた、時点ｔ１１～時点ｔ１２の間で、概ね、燃料電池発電電力Ｐｆｃとエアコンプレッサ電力Ｐａｐとの差電力（Ｐｆｃ－Ｐａｐ）と、放電電力側となっているバッテリ電力Ｐｂａｔとの合成電力によりモータ１６が駆動される。

時点ｔ１２～時点ｔ１４の燃料電池車両１０の減速走行期間では、まず、発電制御部２６Ａは、初めの時点ｔ１２～時点ｔ１３の間で、燃料電池発電電力Ｐｆｃを急減させる。

時点ｔ１３にて、バッテリ１４のバッテリ電力Ｐｂａｔがバッテリ充電リミットＰｂａｔｃｌｉｍに突き当たると、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、エアコンプレッサ電力Ｐａｐを比較例のエアコンプレッサ電力Ｐａｐｒｅまでステップ状に一気に小さくすることなく、ＮＶが許容可能な、エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍに沿って徐々に小さくするようにする。これにより、小さくした分により燃料電池発電電力Ｐｆｃを時点ｔ１３以降急減させることなく、最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑにそって徐々に小さくすることができることから、時点ｔ１２～時点ｔ１４の減速期間の全てで、燃料電池スタック１８の高電位劣化を抑制することができる。

なお、比較例では、時点ｔ１３以降、発電要求電力Ｐｆｃｒｅｑｒｅに沿って、燃料電池発電電力Ｐｆｃを時点ｔ１４以降の停車アイドリング中の最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑまで急減させていた。

時点ｔ１４～時点ｔ１５の停車アイドリング中において、発電制御部２６Ａは、燃料電池スタック１８が燃料電池最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｃで動作を継続できるように、エアコンプレッサ４２をエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍで動作させているので、バッテリ１４への充電電力Ｐｂａｔを、ゼロ値に保持することができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池車両１０の走行中から停車アイドリング中に至る際の高電位劣化の抑制制御動作では、発電制御部２６Ａと余剰発電量消費制御部２６Ｂとが協調制御し、特に、破線の枠で囲った減速走行中、エアコンプレッサ電力Ｐａｐを、エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ（ＮＶ上限）を考慮して低減させているので、その分、燃料電池発電電力Ｐｆｃが最低発電要求電力Ｐｆｃｍｉｎｒｅｑを満たすシーン（割合）が増加し、燃料電池スタック１８の高電位劣化が抑制される。

［実施形態（第１実施例及び第２実施例）の動作原則］
ここで、図４のフローチャート及び図５の車速・エアコンプレッサ上限電力特性図を参照して、上記した第１実施例及び第２実施例の動作原則について説明する。

ステップＳ１にて、発電制御部２６Ａは、基本的には、燃料電池スタック１８を、高電位劣化を抑制可能な高負荷状態（燃料電池スタック１８の低電圧・大電流出力状態）にて発電制御する。

そのため、ステップＳ２にて、燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃから負荷（モータ１６やエアコンプレッサ４２等）の駆動電力を差し引いた電力がプラスになる余剰発電電力が発生するか否かを判定し、余剰発電電力が発生しないと判定した（ステップＳ２：ＮＯ）場合には、ステップＳ１での高負荷発電を継続する。

ステップＳ２の判定にて、余剰発電電力の発生が有ると判定した（ステップＳ２：ＹＥＳ）場合、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、ステップＳ３にて、バッテリ１４の充電状態ＳＯＣに余裕がある（バッテリ充電リミットＰｂａｔｃｌｉｍに達していない）か否かをＳＯＣセンサ２を通じて取得する。

バッテリ１４の充電状態ＳＯＣに余裕があると判定した（ステップＳ３：ＹＥＳ）場合、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、ステップＳ４にて、余剰発電電力分をバッテリ１４に充電する。

その一方、ステップＳ３の判定にて、バッテリ１４の充電状態ＳＯＣに余裕がないと判定した（ステップＳ３：ＮＯ）場合、燃料電池スタック１８の高負荷発電状態をできるだけ継続させるために、ステップＳ５にて、予め定めた乗員が車室内のＮＶ（ノイズ・振動）を不快に感じないレベルのエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍを算出する。

図５は、車速Ｖｖ［ｋｍ／ｈ］に応じたエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ［ｋＷ］である閾値を算出するための対応表（マップ）１００を示している。

基本的に、エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍは、停車アイドリング中（Ｖｖ＝０）で最小値とされ、車速Ｖｖの増加に応じて、大きな値とされるが、パラメータである走行路の状態に応じてコンクリート等の走行騒音の発生の小さい道路での特性１０１は、悪路側の砂利道等の走行騒音の発生の大きな道路での特性１０２に比較して、ＮＶの発生を抑制するために小さな値（閾値）とされている。

なお、悪路か否かは、ナビゲーション装置等により取得可能である。

ステップＳ５にて、車速Ｖｖ［ｋｍ／ｈ］や走行道路状況に応じたエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ［ｋＷ］が算出されると、ステップＳ６にて、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、算出されたエアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍを上限電力としてエアコンプレッサ４２を駆動することで、燃料電池スタック１８の余剰発電電力をエアコンプレッサ４２にて消費（廃電）する。

なお、ステップＳ６にて、余剰発電電力をエアコンプレッサ４２にて消費する、いわゆる廃電時には、必要以上の酸化剤ガスが、空気供給流路４４に流れないように、余剰となる酸化剤ガスを希釈器５６を通じて外部（大気）に導くバイパス流路５７のバルブ５１の開弁量を調節する。

［実施形態（第１実施例及び第２実施例）のまとめ］
この実施形態に係る燃料電池車両１０は、負荷（モータ１６やエアコンプレッサ４２等の補機）に電力を供給する燃料電池スタック１８と、燃料電池スタック１８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段としてのエアコンプレッサ４２と、燃料電池スタック１８に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段としての高圧水素タンク５８と、燃料電池スタック１８の発電状態を制御する発電制御部２６Ａと、バッテリ（蓄電装置）１４と、バッテリ１４の充電状態を取得する充電状態取得手段としてのＳＯＣセンサ２と、該ＳＯＣセンサ２により取得されたバッテリ１４の充電状態に応じて、燃料電池スタック１８の余剰発電量をバッテリ１４へ充電させるとともに、エアコンプレッサ４２の駆動状態を乗員が車室内のＮＶ（ノイズ・振動）を許容可能な駆動上限電力（エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ）まで制御して、燃料電池スタック１８の余剰発電量を消費させる余剰発電量消費制御部２６Ｂと、車速Ｖｖを取得する車速取得手段としての車速センサ４と、を備える。

この場合、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、車速センサ４により取得された車速Ｖｖに応じてエアコンプレッサ４２の前記駆動上限電力（エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ）を可変に設定する。

このように、車速Ｖｖに応じてエアコンプレッサ４２の駆動上限電力（エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ）を可変に設定しているので、例えば、エアコンプレッサ４２のＮＶ（ノイズ・振動）が乗員に不快感を与えない範囲で、燃料電池スタック１８の余剰発電量をエアコンプレッサ４２により消費することができる。

また、燃料電池車両１０の走行要求に伴うモータ１６等の負荷の要求負荷を取得する要求負荷取得手段としてのアクセルペダルセンサ６を備えている。この場合、発電制御部２６Ａは、アクセルペダルセンサ６により取得された前記要求負荷よりも高くて、燃料電池スタック１８の劣化を抑制可能な発電領域にて燃料電池スタック１８の発電を制御し、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、劣化抑制発電制御時の前記余剰発電量をエアコンプレッサ４２の駆動状態を制御することにより該エアコンプレッサ４２で消費させるようにしている。このため、燃料電池スタック１８の高電位劣化を抑制することができる。

また、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、ＳＯＣセンサ２により取得されたバッテリ１４の充電状態が充電状態閾値となった場合、車速センサ４により取得されている車速Ｖｖが加速状態（図２中、時点ｔ５～時点ｔ６）を示しているとき、エアコンプレッサ４２の前記駆動上限電力（エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ）を車速Ｖｖに応じて上昇させることで、エアコンプレッサ４２による余剰電力の消費を的確に行え、且つ燃料電池スタック１８の高電位劣化を抑制することができる。

さらに、余剰発電量消費制御部２６Ｂは、ＳＯＣセンサ２により取得されたバッテリ１４の充電状態が充電状態閾値となった場合、車速センサ４により取得されている車速Ｖｖが減速状態（図３中、時点ｔ１２～時点ｔ１４）を示しているとき、エアコンプレッサ４２の前記駆動上限電力（エアコンプレッサＮＶ上限電力Ｐａｐｎｖｌｉｍ）を車速Ｖｖに応じて減少させることでも、エアコンプレッサ４２による余剰電力の消費を的確に行え、且つ燃料電池スタック１８の高電位劣化を抑制することができる。

さらにまた、酸化剤ガス供給手段としてのエアコンプレッサ４２に、バルブ５１を介して酸化剤ガスを外部に放出可能なバイパス流路５７を設け、余剰電力をエアコンプレッサ４２により消費する際の余剰となる酸化剤ガスを、バイパス流路５７及び希釈器５６を通じて外部（大気）に放出する構成としているので、燃料電池スタック１８の含水量を適量に制御することができる。

なお、この発明は、上記した実施形態に限らず種々の構成を採りうることは勿論である。

２…ＳＯＣセンサ ４…車速センサ
６…アクセルペダルセンサ １０…燃料電池車両
１２…燃料電池システム １４…バッテリ
１６…モータ １８…燃料電池スタック
２０…酸化剤ガス供給装置 ２２…燃料ガス供給装置
２４…冷却媒体供給装置 ２６…制御装置
２６Ａ…発電制御部 ２６Ｂ…余剰発電量消費制御部
２８…発電セル ３０…固体高分子電解質膜
３２…アノード電極 ３４…カソード電極
４２…エアコンプレッサ ５１…バルブ
５７…バイパス流路 ５８…高圧水素タンク

Claims (4)

1. 負荷に電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御部と、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置の充電状態を取得する充電状態取得手段と、
   前記燃料電池の余剰発電量を前記蓄電装置へ充電させるとともに、前記充電状態取得手段により取得された前記蓄電装置の充電状態に応じて、前記酸化剤ガス供給手段の駆動状態を駆動上限電力まで制御して、前記燃料電池の余剰発電量を消費させる余剰発電量消費制御部と、
   車速を取得する車速取得手段と、を備え、
   前記余剰発電量消費制御部は、前記車速取得手段により取得された前記車速に応じて前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を可変に設定し、走行騒音の発生が大きい道路か否かを、ナビゲーション装置により取得し、走行騒音の発生の小さい道路では、走行騒音の発生が大きい道路と比較して前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を小さい値に設定する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両において、
   該燃料電池車両の走行要求に伴う前記負荷の要求負荷を取得する要求負荷取得手段をさらに備え、
   前記発電制御部は、
   前記要求負荷取得手段により取得された前記要求負荷よりも高くて、前記燃料電池の劣化を抑制可能な発電領域にて前記燃料電池の発電を制御し、
   前記余剰発電量消費制御部は、
   劣化抑制発電制御時の前記余剰発電量を前記酸化剤ガス供給手段の駆動状態を制御することにより前記酸化剤ガス供給手段で消費させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池車両において、
   前記余剰発電量消費制御部は、
   前記充電状態取得手段により取得された前記蓄電装置の充電状態が充電状態閾値となった場合、前記車速取得手段により取得されている車速が加速状態を示しているとき、前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を前記車速に応じて上昇させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項１又は２に記載の燃料電池車両において、
   前記余剰発電量消費制御部は、
   前記充電状態取得手段により取得された前記蓄電装置の充電状態が充電状態閾値となった場合、前記車速取得手段により取得されている車速が減速状態を示しているとき、前記酸化剤ガス供給手段の前記駆動上限電力を前記車速に応じて減少させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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