JP7110905B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池内に液水が残留していると、燃料電池の発電停止後に燃料電池内で液水が凍結し、次回始動時に反応ガスの流通が阻害される場合がある。そこで、燃料電池の発電停止時に燃料電池を掃気して、燃料電池から液水を排出する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。このような掃気は、燃料電池以外の二次電池の充電電力に基づいて行われる。
特開２００６－１５５９９７号
二次電池の充電電力は、常に十分にあるとは限らない。また、低温環境下では二次電池の出力性能が低下する場合もある。更に、このような燃料電池を複数備えた燃料電池システムでは、二次電池の充電電力が不足して複数の燃料電池を十分に掃気することができない可能性がある。
そこで、複数の燃料電池を十分に掃気することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的は、二次電池と、第１及び第２燃料電池と、前記第１及び第２燃料電池をそれぞれ掃気可能な第１及び第２掃気装置と、前記第１及び第２燃料電池が発電停止状態で前記二次電池の充電電力に基づいて前記第１掃気装置を駆動して前記第１燃料電池を掃気する第１掃気処理を実行し、前記第１燃料電池が発電状態であり前記第２燃料電池が発電停止状態で前記第１燃料電池の発電電力に基づいて前記第２掃気装置を駆動して前記第２燃料電池を掃気する第２掃気処理を実行する、制御装置と、を備え、前記制御装置は、イグニッションＯＮにされた場合に、前記第１掃気処理を実行しその後に前記第２掃気処理を実行する、燃料電池システムによって達成できる。また、上記目的は、二次電池と、第１及び第２燃料電池と、前記第１及び第２燃料電池をそれぞれ掃気可能な第１及び第２掃気装置と、前記第１及び第２燃料電池が発電停止状態で前記二次電池の充電電力に基づいて前記第１掃気装置を駆動して前記第１燃料電池を掃気する第１掃気処理を実行し、前記第１燃料電池が発電状態であり前記第２燃料電池が発電停止状態で前記第１燃料電池の発電電力に基づいて前記第２掃気装置を駆動して前記第２燃料電池を掃気する第２掃気処理を実行する、制御装置と、を備え、前記制御装置は、イグニッションＯＦＦにされた際に前記二次電池の充電量が閾値未満の場合には、前記第２掃気処理を実行し前記第１掃気処理は実行せず、イグニッションＯＦＦの際に前記第２掃気処理が実行され前記第１掃気処理は実行されなかった後にイグニッションＯＮにされた場合には、前記第１及び第２燃料電池が発電停止状態で前記二次電池の充電電力に基づいて前記第２燃料電池を掃気する第３掃気処理を実行し、前記第３掃気処理の実行後に前記第２燃料電池が発電状態であり前記第１燃料電池が発電停止状態で前記第２燃料電池の発電電力に基づいて前記第１燃料電池を掃気する第４掃気処理を実行する、燃料電池システムによっても達成できる。
上記構成によれば、第１及び第２燃料電池の双方が発電停止状態にある場合にのみ、二次電池に基づいて第１燃料電池のみが掃気され、第１燃料電池のみが発電状態にある場合には、第１燃料電池に基づいて第２燃料電池が掃気される。このように、掃気による二次電池の使用をできるだけ抑制し、第２燃料電池は第１燃料電池の発電電力に基づいて掃気されるため、第１及び第２燃料電池を十分に掃気することができる。
前記制御装置は、イグニッションＯＦＦにされた場合に、前記第２掃気処理の実行後に前記第１掃気処理を実行してもよい。
前記制御装置は、イグニッションＯＦＦにされた際に前記二次電池の充電量が閾値未満の場合には、前記第２掃気処理を実行し前記第１掃気処理は実行しなくてもよい。
前記第２燃料電池の発電体積は、前記第１燃料電池の発電体積よりも大きく、前記制御装置は、前記第２燃料電池への掃気ガスの供給量を前記第１燃料電池への掃気ガスの供給量よりも増大させてもよい。
複数の燃料電池を十分に掃気することができる燃料電池システムを提供できる。
図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図２は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。 図３は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。 図４は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。 図５は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。 図６は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の変形例を示したフローチャートである。 図７は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の変形例を示したフローチャートである。 図８は、変形例のシステムの構成図である。 図９は、変形例のシステムでのイグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。 図１０は、変形例のシステムでのイグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。
［燃料電池システムの構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム（以下、単にシステムと称する）１の構成図である。システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４ａ及び４ｂ、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８ａ及び８ｂ、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂ、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂ、電力制御系３０ａ及び３０ｂ、モータ５０等を含む。尚、システム１は、ＦＣ４ａ及び４ｂに冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。
ＦＣ４ａ及び４ｂは、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する燃料電池である。ＦＣ４ａ及び４ｂは、それぞれ、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。本実施例では、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも大型であり、定格出力も大きい。具体的には、ＦＣ４ａ及び４ｂは、共に同じ単セルが積層されており、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも単セルの積層枚数が多い。詳しくは後述するがＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも発電体積が大きい。ＦＣ４ａ及び４ｂは、それぞれ第１及び第２燃料電池の一例である。
カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気をＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。具体的には、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、供給管１１ａ及び１１ｂ、排出管１２ａ及び１２ｂ、バイパス管１３ａ及び１３ｂ、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、インタークーラ１６ａ及び１６ｂ、及び背圧弁１７ａ及び１７ｂを含む。
供給管１１ａ及び１１ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２ａ及び１２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３ａは供給管１１ａ及び排出管１２ａを連通しており、同様にバイパス管１３ｂも供給管１１ｂ及び排出管１２ｂを連通している。バイパス弁１５ａは、供給管１１ａとバイパス管１３ａとの接続部分に設けられており、同様にバイパス弁１５ｂは、供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分に設けられている。バイパス弁１５ａは供給管１１ａとバイパス管１３ａとの連通状態を切り替え、同様にバイパス弁１５ｂは供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４ａ、バイパス弁１５ａ、及びインタークーラ１６ａは、供給管１１ａ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ａは、排出管１２ａ上であって、排出管１２ａとバイパス管１３ａとの接続部分よりも上流側に配置されている。同様に、エアコンプレッサ１４ｂ、バイパス弁１５ｂ、及びインタークーラ１６ｂは、供給管１１ｂ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ｂは、排出管１２ｂ上であって、排出管１２ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分よりも上流側に配置されている。
エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気を、供給管１１ａ及び１１ｂを介してＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されたカソードガスは、それぞれ、排出管１２ａ及び１２ｂを介して排出される。インタークーラ１６ａ及び１６ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されるカソードガスを冷却する。背圧弁１７ａ及び１７ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード側の背圧を調整する。
アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、アノードガスとして水素ガスをＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。具体的には、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂ、供給管２１ａ及び２１ｂ、排出管２２ａ及び２２ｂ、循環管２３ａ及び２３ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、インジェクタ（以下、ＩＮＪと称する）２６ａ及び２６ｂ、気液分離器２７ａ及び２７ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、及び水素循環ポンプ（以下、ＨＰと称する）２９ａ及び２９ｂを含む。
タンク２０ＴａとＦＣ４ａのアノード入口マニホールドは、供給管２１ａにより接続されている。同様に、タンク２０ＴｂとＦＣ４ｂのアノード入口マニホールドは、供給管２１ｂにより接続されている。タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂには、アノードガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２ａ及び２２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのアノード出口マニホールドに接続されている。循環管２３ａ及び２３ｂは、それぞれ、気液分離器２７ａ及び２７ｂと供給管２１ａ及び２１ｂとを連通している。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａは、供給管２１ａの上流側から順に配置されている。タンク弁２４ａが開いた状態で、調圧弁２５ａの開度が調整され、ＩＮＪ２６ａがアノードガスを噴射する。これにより、ＦＣ４ａにアノードガスが供給される。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａの駆動は、ＥＣＵ２により制御される。タンク弁２４ｂ、調圧弁２５ｂ、及びＩＮＪ２６ｂについても同様である。
排出管２２ａには、気液分離器２７ａ及び排水弁２８ａが、上流側から順に配置されている。気液分離器２７ａは、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７ａに貯留された水は、排水弁２８ａが開くことにより、排出管２２ａを介してシステム１の外部へと排出される。排水弁２８ａの駆動は、ＥＣＵ２により制御される。気液分離器２７ｂ及び排水弁２８ｂについても同様である。
循環管２３ａは、アノードガスをＦＣ４ａへ還流させるため配管であり、上流側の端部が気液分離器２７ａに接続され、ＨＰ２９ａが配置されている。ＦＣ４ａから排出されたアノードガスは、ＨＰ２９ａによって適度に加圧され、供給管２１ａへ導かれる。ＨＰ２９ａの駆動は、ＥＣＵ２により制御される。循環管２３ｂ及びＨＰ２９ｂについても同様である。
電力制御系３０ａ及び３０ｂは、それぞれ、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２ａ及び３２ｂ、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４ａ及び３４ｂ、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９ａ及び３９ｂを含む。また、電力制御系３０ａ及び３０ｂは、モータ５０に接続されたモータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８を共用している。ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂは、それぞれ、ＢＡＴ８ａ及び８ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＦＣ４ａ及び４ｂの発電電力は、それぞれＢＡＴ８ａ及び８ｂに蓄電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。
ＦＣ４ａ及びＢＡＴ８ａの電力は、ＡＩＮＶ３９ａを介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。同様に、ＦＣ４ｂ及びＢＡＴ８ｂの電力は、ＡＩＮＶ３９ｂを介して負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、ＨＰ２９ａ及び２９ｂを含む。車両用の補機は、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。
ＥＣＵ２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ２は、アクセル開度センサ６、イグニッションスイッチ７、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂ、及び、ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂが電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、アクセル開度センサ６の検出値に基づいて、ＦＣ４ａ及び４ｂ全体への要求出力を算出する。また、ＥＣＵ２は、要求出力に応じて、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機等を制御して、ＦＣ４ａ及び４ｂの合計の発電電力を制御する。
［掃気制御］
ＥＣＵ２は、イグニッションＯＮ時及びイグニッションＯＦＦ時に、ＦＣ４ａ及び４ｂ内に残留していた液水を排出するために、ＦＣ４ａ及び４ｂ内に掃気ガスを供給して掃気する掃気制御を実行する。イグニッションＯＮ時に掃気制御を実行することにより、発電開始前にＦＣ４ａ及び４ｂ内に残留していた液水を排出でき、その後の発電開始時での出力性能を確保することができる。また、イグニッションＯＦＦ時に掃気制御を実行することにより、発電により生じた液水をＦＣ４ａ及び４ｂから排出でき、システム１の停止中にＦＣ４ａ及び４ｂ内で残留した液水が凍結することを防止できる。本実施例の掃気制御では、ＨＰ２９ａ及び２９ｂを用いて、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂの内部に形成されたアノードガス流路を掃気する。ＨＰ２９ａ及びＨＰ２９ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及びＦＣ４ｂを掃気可能な第１及び第２掃気装置の一例である。
［イグニッションＯＮ時での掃気制御］
図２は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。図３は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図３には、イグニッションＯＮ、ＯＦＦの切り替え、ＨＰ２９ａ及び２９ｂの各回転速度、及びＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態を示している。本掃気制御は、所定の期間毎に繰り返し実行される。尚、イグニッションＯＦＦの状態では、タンク弁２４ａ及び２４ｂや排水弁２８ａ及び２８ｂは閉じられている。
ＥＣＵ２は、イグニッションスイッチ７からの出力信号に基づいてイグニッションＯＮを検知したか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１でＮｏの場合、本制御は終了する。イグニッションＯＮが検知されると（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ２は、ＢＡＴ８ａの充電電力に基づいてＨＰ２９ａを駆動させてＦＣ４ａの掃気を開始する（ステップＳ３、時刻ｔ１）。ここで、掃気ガスとしては、例えば供給管２１ａやＦＣ４ａのアノードガス流路や循環管２３ａ内に残留していたガスを用いる。ＦＣ４ａの掃気条件としては、ＨＰ２９ａの回転速度がＦＣ４ａの掃気に適した速度αに設定され、掃気期間は期間βに設定されている。速度αは、例えば２０００ｒｐｍである。期間βは、例えば１５秒である。ＦＣ４ａから排出された液水は気液分離器２７ａで貯留される。ステップＳ３の処理は、ＦＣ４ａ及び４ｂが発電停止状態でＢＡＴ８ａの充電電力に基づいてＨＰ２９ａを駆動してＦＣ４ａを掃気する第１掃気処理の一例である。
時刻ｔ１から期間βが経過した時刻ｔ２でＦＣ４ａの掃気が完了すると、ＥＣＵ２はＦＣ４ａの発電を開始する（ステップＳ５、時刻ｔ３）。具体的には、ＨＰ２９ａの駆動を継続しつつ、タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａが開弁してＦＣ４ａへのアノードガスの供給が開始され、エアコンプレッサ１４ａが駆動してＦＣ４ａへのカソードガスの供給が開始されて、ＦＤＣ３２ａ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ａと負荷装置とが電気的に接続される。本実施例では、ＦＣ４ａの発電状態でのＨＰ２９ａの回転速度は、要求出力に応じた回転速度に制御されており、図３の例では、掃気時での速度αよりも遅い速度に制御されている。尚、ＦＣ４ａの発電開始時でのＩＮＪ２６ａ等の駆動電力は、ＢＡＴ８ａから供給されるが、ＦＣ４ａの発電開始から所定期間経過後ではＦＣ４ａから供給してもよい。
また、ＥＣＵ２は、ＦＣ４ａの発電電力に基づいてＨＰ２９ｂを駆動してＦＣ４ｂの掃気を開始する（ステップＳ７、時刻ｔ３）。掃気ガスとしては、ＦＣ４ａの場合と同様に、供給管２１ｂやＦＣ４ｂのアノードガス流路や循環管２３ｂ内に残留していたガスを用いる。ＦＣ４ｂの掃気条件として、ＨＰ２９ｂの回転速度はＨＰ２９ａと同じ速度αに設定されるが、ＦＣ４ｂの掃気期間は、ＦＣ４ａの掃気期間である期間βよりも長い期間γに設定されている。時間γは、例えば３０秒である。ステップＳ７の処理は、ＦＣ４ａが発電状態でありＦＣ４ｂが発電停止状態でＦＣ４ａの発電電力に基づいてＨＰ２９ｂを駆動してＦＣ４ｂを掃気する第２掃気処理の一例である。
ここで、上述したようにＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも発電体積が大きい。発電体積とは、単セル一枚当たりの電極面積と、単セル一枚当たりの電極厚みと、単セルの積層枚数とを乗算して得られる値である。この発電体積が大きいほど、十分に掃気を行うために必要となるエネルギーが大きい。発電体積が大きいほど燃料電池内で発生する液水量も多く、液水量が多いほど燃料電池から十分に液水を排出するために必要となるエネルギーも大きいからである。本実施例では、上述したように、ＨＰ２９ａ及び２９ｂの回転速度は共に速度αであるが、掃気期間はＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも長い。このため、掃気ガスの供給量はＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも多く、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも掃気に多くのエネルギーを使用している。このように、発電体積に応じてＦＣ４ａ及び４ｂの双方を十分に掃気することができる。
ＦＣ４ｂの掃気が完了すると（時刻ｔ４）、ＥＣＵ２はＦＣ４ｂの発電を開始する（ステップＳ９、時刻ｔ５）。具体的には、ＦＣ４ａの場合と同様に、ＦＣ４ｂへのアノードガス及びカソードガスの供給が開始され、ＦＣ４ｂと負荷装置とを電気的に接続される。
［イグニッションＯＦＦ時での掃気制御］
図４は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。図５は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図５には、イグニッションＯＮ、ＯＦＦの切り替え、ＨＰ２９ａ及び２９ｂの各回転速度、及びＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態を示している。本掃気制御は、所定の期間毎に繰り返し実行される。
ＥＣＵ２は、イグニッションスイッチ７からの出力信号に基づいてイグニッションＯＦＦを検知したか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１でＮｏの場合、本制御は終了する。イグニッションＯＦＦが検知されると（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ＥＣＵ２は、ＦＣ４ｂの発電を停止する（ステップＳ１３、時刻ｔ１１）。具体的には、ＦＤＣ３２ｂ内部のスイッチによりＦＣ４ｂと負荷装置とを電気的に遮断すると共に、タンク弁２４ｂ及び調圧弁２５ｂを閉じてＩＮＪ２６ｂ及びエアコンプレッサ１４ｂの駆動を停止し、ＦＣ４ｂへのアノードガス及びカソードガスの供給を停止する。更に、ＥＣＵ２は、ＦＣ４ａの発電電力に基づいてＨＰ２９ｂの駆動を継続してＦＣ４ｂの掃気を開始する（ステップＳ１５、時刻ｔ１１）。ここで、ＨＰ２９ｂの回転速度は上述した場合と同様に速度αであり、ＦＣ４ｂの掃気期間も上述した期間γである。ステップＳ１５の処理は、上述した第２掃気処理の一例である。
ＥＣＵ２はＨＰ２９ｂへのＦＣ４ａからの発電電力の供給を停止して（時刻ｔ１２）、ＦＣ４ｂの掃気が完了する。次にＥＣＵ２はＦＣ４ａの発電を停止する（ステップＳ１７、時刻ｔ１３）。具体的には、ＦＣ４ｂの場合と同様に、ＦＣ４ａと負荷装置とを電気的に遮断すると共に、ＦＣ４ｂへのアノードガス及びカソードガスの供給を停止する。更に、ＥＣＵ２は、ＢＡＴ８ａの充電電力に基づいてＨＰ２９ａの駆動を継続してＦＣ４ａの掃気を開始する（ステップＳ１９、時刻ｔ１３）。ここで、ＨＰ２９ａの回転速度も速度αであり、ＦＣ４ａの掃気期間も上述した期間βである。次にＦＣ４ａの掃気が完了し（時刻ｔ１４）、ＨＰ２９ａが完全に停止する（時刻ｔ１５）。ステップＳ１９の処理は、上述した第１掃気処理の一例である。
以上のように、イグニッションＯＮ時及びイグニッションＯＦＦ時の何れの場合でも、ＦＣ４ａはＢＡＴ８ａの充電電力により掃気され、ＦＣ４ｂは、ＢＡＴ８ｂの充電電力ではなく、ＦＣ４ａの発電電力により掃気される。このため、例えばＢＡＴ８ｂの充電量が少ない場合にＢＡＴ８ｂによりＦＣ４ｂを掃気すると、ＦＣ４ｂを十分に掃気することができない可能性がある。本実施例では、このような問題を回避して、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方を十分に掃気することができる。
また、上述したように、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方とも発電停止状態では、ＦＣ４ｂよりも発電体積の小さいＦＣ４ａについて、ＢＡＴ８ａの充電電力に基づいて掃気される。例えば、発電体積の大きいＦＣ４ｂをＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいて掃気し、発電体積の小さいＦＣ４ａをＦＣ４ｂの発電電力に基づいて掃気することも考えられる。しかしながらこの場合、上述したように、ＦＣ４ｂを十分に掃気するために必要なエネルギー量は、ＦＣ４ａを十分に掃気するために必要となるエネルギー量よりも多い。このため、ＢＡＴ８ｂの充電量によってはＦＣ４ｂを十分に掃気することができない可能性がある。本実施例のように、ＦＣ４ａはＢＡＴ８ａの蓄電電力により掃気し、ＦＣ４ｂについてはＦＣ４ａの発電電力により掃気することにより、ＦＣ４ｂについても十分に掃気できる。
上記実施例では、第１燃料電池よりも発電体積が大きい第２燃料電池として、ＦＣ４ａよりも積層された単セルの枚数が多いＦＣ４ｂを例に示したがこれに限定されない。例えば、第１及び第２燃料電池の単セルの各積層枚数は同じであり、第２燃料電池の各単セルの電極面積が第１燃料電池の各単セルの電極面積よりも大きいことにより、第２燃料電池が第１燃料電池よりも発電体積が大きくてもよい。また、単セルの積層枚数は同じであり、各単セルの電極面積も同じであるが、第２燃料電池の各単セルの電極厚みが第１燃料電池の各単セルの電極厚みよりも大きいことにより、第２燃料電池が第１燃料電池よりも発電体積が大きくてもよい。電極面積とは、電解質膜と、その電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、が重なった領域の面積である。電極厚みとは、電解質膜とアノード触媒層とカソード触媒層とが重なった領域の平均厚みである。
上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気条件として、ＨＰ２９ａ及び２９ｂの回転速度は同じであり、掃気期間がＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも長いことにより、発電体積が相違するＦＣ４ａ及び４ｂに対応しているが、これに限定されない。例えば、ＦＣ４ａ及び４ｂの掃気期間は共に同じであるが、ＨＰ２９ｂの回転速度がＨＰ２９ａの回転速度よりも大きくてもよい。これにより、ＦＣ４ｂへの掃気ガスの供給量はＦＣ４ａへの掃気ガスの供給量よりも増大する。
上記実施例ではイグニッションＯＮ時及びイグニッションＯＦＦ時の双方でＦＣ４ａ及び４ｂを掃気するが、何れか一方の時にＦＣ４ａ及び４ｂを掃気してもよい。また、ＩＮＪ２６ａでアノードガスを噴射しつつＨＰ２９ａを駆動してＦＣ４ａを掃気してもよい。ＦＣ４ｂについても同様である。
［掃気制御の変形例］
次に、掃気制御の変形例について説明する。図６は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の変形例を示したフローチャートである。図７は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の変形例を示したフローチャートである。上述した実施例と同一の処理については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図６に示すように、ステップＳ１１でＹｅｓと判定され、ステップＳ１３、Ｓ１５、及びＳ１７の処理が実行されると、ＥＣＵ２はＢＡＴ８ａの充電量が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１８Ａ）。ここで閾値は、イグニッションＯＦＦ時でのＦＣ４ａの掃気に必要となる電力量と、後述するイグニッションＯＮ時でのＦＣ４ａの掃気に必要となる電力量との合計値に、所定のマージンを加えた値である。ステップＳ１８ＡでＹｅｓの場合、ＢＡＴ８ａの充電量は十分に多いものとして、上述した実施例と同様にＢＡＴ８ａの充電電力によりＦＣ４ａが掃気され（ステップＳ１９）、ＥＣＵ２はＦＣ４ａの掃気済フラグをＯＮに設定する（ステップＳ１９Ａ）。ステップＳ１８ＡでＮｏの場合、ＥＣＵ２はＦＣ４ａを掃気することなく、ＦＣ４ａの掃気済フラグをＯＦＦに設定し（ステップＳ１８Ｂ）、本制御は終了する。
次に、図７に示すようにステップＳ１でＹｅｓと判定されると、ＥＣＵ２はＦＣ４ａの掃気済フラグがＯＦＦか否かを判定する（ステップＳ２Ａ）。ステップＳ２ＡでＮｏの場合、即ち、図６に示したステップＳ１８でＹｅｓと判定されてＦＣ４ａの掃気が実行されていた場合には、上述した実施例と同様に、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７、及びＳ９の処理が実行される。即ち、イグニッションＯＮ時でもＦＣ４ａはＢＡＴ８ａの充電電力で掃気され、ＦＣ４ｂはＦＣ４ａの発電電力で掃気される。
ステップＳ２ＡでＹｅｓの場合、ステップＳ３とは異なり、ＥＣＵ２はＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいてＨＰ２９ｂを駆動してＦＣ４ｂを掃気する（ステップＳ４Ａ）。ステップＳ４Ａの処理は、イグニッションＯＦＦの際に第２掃気処理が実行され第１掃気処理は実行されなかった後にイグニッションＯＮにされた場合には、ＦＣ４ａ及び４ｂが発電停止状態でＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいてＦＣ４ｂを掃気する第３掃気処理の一例である。
つぎに、ＥＣＵ２はＦＣ４ｂを発電し（ステップＳ６Ａ）、ＦＣ４ｂの発電電力に基づいてＨＰ２９ａを駆動してＦＣ４ａを掃気する（ステップＳ８Ａ）。その後に、ＥＣＵ２はＦＣ４ａを発電する（ステップＳ１０Ａ）。ステップＳ６Ａの処理は、第３掃気処理の実行後にＦＣ４ｂが発電状態でありＦＣ４ａが発電停止状態でＦＣ４ｂの発電電力に基づいてＦＣ４ａを掃気する第４掃気処理の一例である。
このように、イグニッションＯＦＦ時にＦＣ４ａは掃気されずＦＣ４ｂのみが掃気された場合には、イグニッションＯＮ時にはＦＣ４ａよりもＦＣ４ｂを先に掃気する。この理由は以下による。イグニッションＯＦＦ時にＦＣ４ａは掃気されていないため、ＦＣ４ａ内に液水が残留している可能性がある。この状態で、イグニッションＯＮ時にＦＣ４ｂよりも先にＦＣ４ａを掃気して発電を開始したとしても、前回のイグニッションＯＦＦ時にはＦＣ４ａは掃気されていないため、イグニッションＯＮ時での掃気だけではＦＣ４ａ内の液水を十分に排出できていない可能性がある。これにより、ＦＣ４ａの発電開始直後での発電性能が低下して、要求出力に対する応答性が低下する可能性がある。本実施例のように、イグニッションＯＦＦ時に掃気されたＦＣ４ｂを、イグニッションＯＮ時に優先して掃気及び発電を開始することにより、ＦＣ４ｂの発電開始直後での要求出力に対する応答性が確保されている。
［燃料電池システムの変形例］
図８は、変形例のシステム１Ａの構成図である。本変形例では、上述した実施例とは異なり、アノードガス供給系２０ａ１及び２０ｂ１は、それぞれ、ＨＰ２９ａ及び２９ｂの代わりにエジェクタ２９ａ１及び２９ｂ１を備えている。エジェクタ２９ａ１及び２９ｂ１は、それぞれＩＮＪ２６ａ及び２６ｂよりも下流側であって供給管２１ａ及び２１ｂ上に設けられている。エジェクタ２９ａ１は、ＩＮＪ２６ａから噴射されたアノードガスの流れを駆動流として、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスを循環管２３ａから吸い込み、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスを再度ＦＣ４ａに循環させる。エジェクタ２９ｂ１も同様である。システム１Ａでの掃気制御では、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂから噴射されるアノードガスを掃気ガスとして用いられる。従って、ＩＮＪ２６ａ及びＩＮＪ２６ｂは、それぞれ第１及び第２掃気装置の一例である。
［燃料電池システムの変形例での掃気制御］
図９は、変形例のシステム１ＡでのイグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図９には、イグニッションＯＮ、ＯＦＦの切り替え、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの動作状態、及びＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態を示している。イグニッションＯＮに切り換えられると、ＥＣＵ２ＡはＢＡＴ８ａの充電電力に基づいてＩＮＪ２６ａを駆動してＦＣ４ａの掃気を開始する（時刻ｔ１ａ）。ここで、ＩＮＪ２６ａがＦＣ４ａにアノードガスを供給するために開弁した期間である掃気期間は、期間βａに設定されている。ＦＣ４ａの掃気が完了すると（時刻ｔ２ａ）、ＩＮＪ２６ａからのアノードガスの噴射を継続しつつ、ＦＣ４ａの発電を開始する（時刻ｔ２ａ）。また、ＥＣＵ２ＡはＦＣ４ａの発電電力に基づいてＩＮＪ２６ｂを駆動してＦＣ４ｂの掃気を開始する（時刻ｔ３ａ）。ここで、ＩＮＪ２６ｂがＦＣ４ｂの掃気のために開弁した期間である掃気期間は、期間βａよりも長い期間γａに設定される。ＦＣ４ｂの掃気が完了すると（時刻ｔ４ａ）、ＥＣＵ２Ａは、ＩＮＪ２６ｂからのアノードガスの噴射を継続しつつ、ＦＣ４ｂの発電を開始する（時刻ｔ５ａ）。
図１０は、変形例のシステム１ＡでのイグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図１０には、イグニッションＯＮ、ＯＦＦの切り替え、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの動作状態、及びＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態を示している。イグニッションＯＦＦに切り換えられると、ＥＣＵ２ＡはＦＣ４ｂの発電を停止して、ＦＣ４ａの発電電力に基づいてＩＮＪ２６ｂを駆動してアノードガスを噴射してＦＣ４ｂの掃気を開始する（時刻ｔ１１ａ）。ＦＣ４ｂの掃気期間は、上述した場合と同様に期間γａに設定されている。次に、ＥＣＵ２Ａは、ＩＮＪ２６ｂを停止してＦＣ４ｂの掃気を完了し（時刻ｔ１２ａ）、次にＦＣ４ａの発電を停止しＢＡＴ８ａの充電電力に基づいてＩＮＪ２６ａを駆動してアノードガスを噴射してＦＣ４ａの掃気を開始する（時刻ｔ１３ａ）。ＦＣ４ａの掃気期間は、上述した場合と同様に期間βａに設定されている。次にＥＣＵ２Ａは、ＩＮＪ２６ａを停止してＦＣ４ａの掃気を完了する（時刻ｔ１４ａ）。
以上のように、ＨＰ２９ａ及び２９ｂを備えておらずエジェクタ２９ａ１及び２９ｂ１を備えたシステム１Ａにおいても、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂによりＦＣ４ａ及び４ｂの双方を十分に掃気することができる。また、システム１Ａでは、イグニッションＯＮ時には、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂから噴射されたアノードガスにより掃気され、掃気の完了後は掃気に用いられたアノードガスによってＦＣ４ａ及び４ｂの発電が開始される。このため、掃気の完了後に比較的短時間でＦＣ４ａ及びＦＣ４ｂの発電を開始することができる。従って、ＦＣ４ａの掃気完了後に短時間でＦＣ４ａの発電を開始でき、この発電電力に基づいてＦＣ４ｂの掃気を短時間で開始することができる。これにより、イグニッションＯＮに切り替わってからＦＣ４ａ及びＦＣ４ｂの双方の掃気が完了して発電されるまでの期間を短縮でき、要求出力に対する応答性が向上している。
システム１Ａでの掃気制御では、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの開閉は間欠的に行われるようにしてもよい。また、この場合、開閉のデューティ比を変更することにより、ＦＣ４ｂの掃気時でのＩＮＪ２６ｂの合計開弁期間が、ＦＣ４ａの掃気時でのＩＮＪ２６ａの合計開弁期間よりも長くなるように制御してもよい。この場合も、ＦＣ４ｂに掃気ガスとして供給されるアノードガスの供給量は、ＦＣ４ａに掃気ガスとして供給されるアノードガスの供給量よりも増大し、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方を十分に掃気することができるからである。また、調圧弁２５ａ及び２５ｂの開度を調整して、ＩＮＪ２６ｂから噴射されるアノードガスの圧力を、ＩＮＪ２６ａから噴射されるアノードガスの圧力よりも増大することにより、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの各合計開弁期間が同じであっても、ＦＣ４ｂに掃気ガスとして供給されるアノードガスの供給量をＦＣ４ａに掃気ガスとして供給されるアノードガスの供給量よりも増大してもよい。また、システム１Ａにおいても、イグニッションＯＮ時及びイグニッションＯＦＦ時の何れか一方の時にＦＣ４ａ及び４ｂを掃気してもよい。システム１Ａにおいても、図６及び図７に示した掃気制御の変形例を採用してもよい。
［その他］
上記実施例及び変形例では、ＦＣ４ｂはＦＣ４ａよりも発電体積が大きいが、これに限定されず、発電体積が同じであってもよい。この場合、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ供給される掃気ガスの供給量は、同じであることが望ましい。即ち、上述した本実施例において、ＦＣ４ａ及び４ｂの各掃気期間やＨＰ２９ａ及び２９ｂの回転速度は同じでもよいし、システム１Ａでの掃気制御においてＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの各合計開弁期間は同じであってもよい。
上記実施例では、２つのＦＣ４ａ及び４ｂを備えているが、３つ以上のＦＣを備えていてもよい。例えば、ＦＣ４ａ及び４ｂに加えて第３燃料電池を備えるシステムにおいては、イグニッションＯＮ時では、図２に示したようにＦＣ４ａ及び４ｂの掃気の実行後に、二次電池の充電電力を用いずにＦＣ４ａ及び４ｂの少なくとも一方の発電電力に基づいて第３燃料電池の掃気を実行するのが望ましい。同様に、イグニッションＯＦＦ時では、ＦＣ４ａ及び４ｂの発電を停止する前に先に第３燃料電池の発電を停止して、ＦＣ４ａ及び４ｂの少なくとも一方の発電電力により第３燃料電池を掃気し、その後に図４に示したようにＦＣ４ａ及び４ｂを掃気するのが望ましい。二次電池の充電電力を用いずに第３燃料電池を掃気することにより、第３燃料電池を十分に掃気することができるからである。
上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ対応したＢＡＴ８ａ及び８ｂが設けられているが、これに限定されず、ＦＣ４ａ及び４ｂに共通に接続された二次電池を備えていてもよい。上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ対応したタンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂを備えているが、これに限定されず、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂの代わりにＦＣ４ａ及び４ｂに共用されるタンクを備えていてもよいし、３つ以上のタンクを備えていてもよい。
上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂのアノード側のみを掃気したが、カソード側のみを掃気してもよいし、アノード側及びカソード側の双方を掃気してもよい。ＦＣ４ａのカソード側の掃気は、バイパス弁１５ａにより供給管１１ａとバイパス管１３ａとの連通状態を遮断しつつ背圧弁１７ａの開度を調整してエアコンプレッサ１４ａを駆動することにより行うのが望ましい。ＦＣ４ｂに関しても同様である。また、ＦＣ４ａよりも発電体積が大きいＦＣ４ｂに対応するように、上述した実施例と同様に、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂの回転速度を同じにしつつ掃気継続期間をエアコンプレッサ１４ｂの方がエアコンプレッサ１４ａよりも長くしてもよいし、掃気継続期間が同じでありエアコンプレッサ１４ｂの方がエアコンプレッサ１４ａよりも回転速度を増大させてもよい。
燃料電池システムが搭載されている車両としては、自動車のみならず、二輪車、鉄道車両や、船舶、航空機等であってもよいし、駆動にモータと内燃機関とを併用可能なハイブリット車両であってもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 燃料電池システム
２ ＥＣＵ（制御装置）
４ａ、４ｂ 燃料電池（第１及び第２燃料電池）
８ａ、８ｂ 二次電池
２６ａ、２６ｂ インジェクタ（第１及び第２掃気装置）
２９ａ、２９ｂ 水素循環ポンプ（第１及び第２掃気装置）

Claims (5)

  1. 二次電池と、
    第１及び第２燃料電池と、
    前記第１及び第２燃料電池をそれぞれ掃気可能な第１及び第２掃気装置と、
    前記第１及び第２燃料電池が発電停止状態で前記二次電池の充電電力に基づいて前記第１掃気装置を駆動して前記第１燃料電池を掃気する第１掃気処理を実行し、前記第１燃料電池が発電状態であり前記第２燃料電池が発電停止状態で前記第１燃料電池の発電電力に基づいて前記第２掃気装置を駆動して前記第２燃料電池を掃気する第２掃気処理を実行する、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、イグニッションＯＮにされた場合に、前記第１掃気処理を実行しその後に前記第２掃気処理を実行する、燃料電池システム。
  2. 二次電池と、
    第１及び第２燃料電池と、
    前記第１及び第２燃料電池をそれぞれ掃気可能な第１及び第２掃気装置と、
    前記第１及び第２燃料電池が発電停止状態で前記二次電池の充電電力に基づいて前記第１掃気装置を駆動して前記第１燃料電池を掃気する第１掃気処理を実行し、前記第１燃料電池が発電状態であり前記第２燃料電池が発電停止状態で前記第１燃料電池の発電電力に基づいて前記第２掃気装置を駆動して前記第２燃料電池を掃気する第２掃気処理を実行する、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、イグニッションＯＦＦにされた際に前記二次電池の充電量が閾値未満の場合には、前記第２掃気処理を実行し前記第１掃気処理は実行せず、イグニッションＯＦＦの際に前記第２掃気処理が実行され前記第１掃気処理は実行されなかった後にイグニッションＯＮにされた場合には、前記第１及び第２燃料電池が発電停止状態で前記二次電池の充電電力に基づいて前記第２燃料電池を掃気する第３掃気処理を実行し、前記第３掃気処理の実行後に前記第２燃料電池が発電状態であり前記第１燃料電池が発電停止状態で前記第２燃料電池の発電電力に基づいて前記第１燃料電池を掃気する第４掃気処理を実行する、燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、イグニッションＯＦＦにされた場合に、前記第２掃気処理の実行後に前記第１掃気処理を実行する、請求項１の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、イグニッションＯＦＦにされた際に前記二次電池の充電量が閾値未満の場合には、前記第２掃気処理を実行し前記第１掃気処理は実行しない、請求項１又は３の燃料電池システム。
  5. 前記第２燃料電池の発電体積は、前記第１燃料電池の発電体積よりも大きく、
    前記制御装置は、前記第２燃料電池への掃気ガスの供給量を前記第１燃料電池への掃気ガスの供給量よりも増大させる、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
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