JP7367611B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、燃料電池車両の始動時に、燃料電池の発電が不可能であっても、バッテリのＳＯＣが所定値以上であればバッテリの電力でモータ走行を行う燃料電池車両が開示されている。
また、特許文献２では、燃料電池の起動中に二次電池に充電した電力のみによって車両走行を開始する燃料電池車両の制御方法が開示されている。
また、特許文献３では、燃料電池起動時に低温時であった場合、循環ポンプの駆動を停止しておく燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献４では、バッテリＳＯＣ残量とＦＣ起動に必要なＳＯＣとの差分からバッテリ走行始動可否判断を行う燃料電池システムが開示されている。
特開２００１－２６６９１７号公報 特開２００５－０７３４７５号公報 特開２００７－２２０４２５号公報 特開２０１１－２３９６３９号公報
燃料電池の起動中に二次電池に充電した電力のみによっての車両の走行を許可する二次電池のＳＯＣの所定値を一定にしてしまうと、二次電池の電力を有効に活用することができず、車両の走行許可が得られるまでに時間がかかってしまう問題がある。
例えば、ＳＯＣが所定値にわずかに満たない場合でも、二次電池だけで車両の走行を行う電力はある。しかし、二次電池のＳＯＣが所定値を満たさない場合は燃料電池の発電が可能になるまで車両の走行許可が得られないように燃料電池システムを制御している場合、車両の走行許可が得られるまでに時間がかかってしまうという問題がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、車両の走行許可が得られるまでの時間を短縮することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示においては、車両の始動時に、燃料電池の発電が不可能であっても二次電池の電力で走行可能な車両に搭載された燃料電池システムであって、
前記燃料電池と、
前記二次電池と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料電池の発電前処理時、且つ、前記燃料電池からの前記二次電池の出力での前記車両の走行要求があった際に、前記二次電池の放電許可エネルギーを算出し、当該放電許可エネルギーから、前記車両の走行要求から走行許可までに必要な走行許可遅延要求時間を算出し、且つ、前記車両の走行要求からの経過時間である走行許可遅延時間を計測し、
前記制御部は、前記走行許可遅延要求時間の値が前記走行許可遅延時間の値よりも小さくなった際に前記車両の走行を許可する、ことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
本開示においては、前記制御部は、前記燃料電池の発電前処理時、且つ、前記車両が前記二次電池の電力で走行時、前記燃料電池が発電可能になるまでに必要な燃料電池起動要求時間内は、前記車両が消費する車両要求エネルギーを制限してもよい。
本開示においては、前記車両の始動時が、前記車両の氷点下始動時であってもよい。
本開示においては、さらに、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料オフガスを循環させて前記燃料電池に戻す循環用ポンプを有し、
前記制御部は、前記車両の前記二次電池の電力での走行中、且つ、前記燃料電池起動要求時間内に、前記二次電池の電力が所定の第１の閾値以下、且つ、前記車両の前記車両要求エネルギーが所定の第２の閾値以上になった際に、前記循環用ポンプの駆動を停止してもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、車両の走行許可が得られるまでの時間を短縮することができる。
本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムの制御方法の別の一例を示すフローチャートである。 二次電池の電力での車両の走行許可からＦＣ発電前処理が完了（ＦＣ起動完了）して燃料電池が発電を開始した後までの時間と電力の関係の一例を示す図である。 本開示の燃料電池システムの制御方法のさらに別の一例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
本開示においては、車両の始動時に、燃料電池の発電が不可能であっても二次電池の電力で走行可能な車両に搭載された燃料電池システムであって、
前記燃料電池と、
前記二次電池と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料電池の発電前処理時、且つ、前記燃料電池からの前記二次電池の出力での前記車両の走行要求があった際に、前記二次電池の放電許可エネルギーを算出し、当該放電許可エネルギーから、前記車両の走行要求から走行許可までに必要な走行許可遅延要求時間を算出し、且つ、前記車両の走行要求からの経過時間である走行許可遅延時間を計測し、
前記制御部は、前記走行許可遅延要求時間の値が前記走行許可遅延時間の値よりも小さくなった際に前記車両の走行を許可する、ことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
燃料電池車両は始動の際、部品保護の観点で特に氷点下始動時に始動時間が遅延する場合がある。その際、二次電池の電力、二次電池のＳＯＣ、二次電池のエネルギー残量等に余裕がある場合は二次電池のみで車両を走行可能なため車両の走行許可（Ｒｅａｄｙ ＯＮ判定）を早期化することが可能である。従来技術では二次電池のＳＯＣが所定の閾値以上であるか否かで車両の走行許可の判定をしていた。しかし、ＳＯＣが所定の閾値未満の場合には、通常、燃料電池が発電可能となるまで車両の走行許可を遅延させる必要があり、車両の商品性が低下する場合がある。
燃料電池スタックの少なくとも１つの単セルが凍結により部分閉塞している場合、燃料電池スタックの始動時の水素濃度が低い（窒素濃度が高い）と単セル内部の水素を使い切り、水素欠による単セルの電圧の低下が発生し燃料電池スタックが破損する場合がある。そのため、主に氷点下では事前にスタック内の各燃料極の水素濃度を上げておき（アノードの窒素から水素への置換処理）、仮に少なくとも１つの単セルが凍結していても、燃料電池スタック内の温度が上昇して氷点を超えるまでに単セル内の水素が完全に欠乏するのを防ぐ発電前処理（暖機処理）を実施する。当該発電前処理に時間を要するため燃料電池スタックの発電開始が遅延する。
本開示では、燃料電池の発電前処理時に、二次電池のＳＯＣ、及び、二次電池の劣化状態等から二次電池のみでの車両の走行可能時間を算出し、二次電池のみでの車両の走行可能時間と、燃料電池の発電が可能になるまでに必要な燃料電池起動要求時間との差分から車両の走行許可が行われるまでに必要な走行許可遅延要求時間を算出することで、二次電池のＳＯＣ不足による車両の走行要求があってから車両の走行許可が行われるまでの走行許可遅延時間を最小化することが可能となる。
本開示によれば、二次電池のＳＯＣ、及び、二次電池の劣化状態等から算出される二次電池の放電許可エネルギー並びに車両の要求エネルギー等を考慮して車両の走行許可を行うタイミングを決定することで、二次電池の放電許可エネルギーが高い場合には二次電池に充電されたエネルギーを活用し、車両の走行要求があってから車両の走行許可が行われるまでの時間を短縮することができる。
本開示は、燃料電池の通常始動時だけでなく燃料電池の氷点下始動時にも高い効果が得られる。
本開示の燃料電池システムは、少なくとも燃料電池と、二次電池と、制御部と、を有する。
本開示の燃料電池システムは、車両の始動時に、燃料電池の発電が不可能であっても二次電池の電力で走行可能な車両に搭載されて用いられる。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
燃料電池は、燃料電池の単セルを複数積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の電極に反応ガスを供給する反応ガス供給部を有していてもよい。
反応ガス供給部は、燃料電池スタックに反応ガスを供給する。
反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスを含む概念である。
反応ガス供給部としては、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部等が挙げられ、燃料電池システムは、これらの供給部のいずれか一方を有していてもよく、これらの供給部の両方を有していてもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有していてもよい。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池と燃料ガス供給部を接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池の燃料極への供給を可能にする。
燃料電池システムは、循環流路を備えていてもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池の燃料極に戻すことを可能にする。
燃料オフガスは、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガス、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分、及び、掃気時に燃料極に供給されてもよい酸化剤ガス等を含む。
燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ、及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路の合流部に配置され、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池の燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
循環流路には、燃料オフガス中の水分を低減するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び、当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器において、燃料オフガス中から分離された水分は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排水弁の開閉を制御されることにより、液水の排水量を調整してもよい。
燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガスを外部（系外）に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの排出流量を調整してもよい。
燃料オフガス排出流路は、例えば、循環流路から分岐されていてもよく、燃料オフガス中の水素濃度が低くなりすぎた場合に当該燃料オフガスを外部に排出可能にする。
燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池を接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
酸化剤ガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みのカソードオフガスを酸化剤ガス排出流路から排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整することができる。
酸化剤ガス供給流路には、インタークーラーが配置されていてもよい。インタークーラーは、冷媒循環流路と接続され、冷媒との間で熱交換を行い、酸化剤ガス供給部から排出された酸化剤ガスを冷却する。また、燃料電池の暖機（発電前処理）要求があるときには、酸化剤ガス供給部によって圧縮されて温度が高くなった酸化剤ガスの熱により、冷媒を昇温させる。
燃料電池システムは、インタークーラーの下流側で酸化剤ガス供給流路から分岐し、燃料電池をバイパスして酸化剤ガス排出流路に接続されたバイパス流路を備えていてもよい。このバイパス流路には、バイパス流路の開通状態を制御するバイパス弁が配置されている。バイパス弁は、制御部と電気的に接続され、例えば、駆動モータの回生発電時に二次電池の充電容量に余裕がない状況で、酸化剤ガス供給部を駆動して二次電池の電力を消費する場合に、制御部によって開弁される。これにより、酸化剤ガスは燃料電池に送られることなく、酸化剤ガス排出流路へ排出される。
また、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路は合流流路を介して接続されていてもよい。合流流路には掃気弁が設けられていてもよい。
掃気弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって掃気弁が開弁されることにより、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料ガス供給流路内に流入させるようになっていてもよい。
掃気に用いられる掃気ガスは、反応ガスであってもよく、反応ガスは、燃料ガスであってもよく、酸化剤ガスであってもよく、これらの両方のガスを含む混合反応ガスであってもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部、及び、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させ、燃料電池の冷却を可能にする。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、モータ等の電動機及びエアコンプレッサー等の酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。
燃料電池システムは、バッテリを電源とする補機を備えていてもよい。
補機としては、例えば車両の照明機器等が挙げられる。
また、本開示の燃料電池システムには、二次電池の残容量を検出する充電状態センサが設けられていてもよい。充電状態センサは、二次電池の充電状態値（ＳＯＣ）を検出する。充電状態センサは、制御部に接続されていてもよい。制御部は、充電状態センサの出力により二次電池の充電状態値を検知できるようになっていてもよい。
制御部は、二次電池の充電状態値の管理、及び、二次電池の充放電を制御してもよい。
充電状態値（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量がＳＯＣ１００％である。
制御部は、反応ガスのガス流量を制御する。
制御部は、気液分離器、排水弁、燃料オフガス排出弁、酸化剤ガス圧力調整弁、掃気弁、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、バイパス弁、二次電池、循環用ポンプ等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。また、制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
１．第１の実施形態
本開示の第１の実施形態によれば、二次電池のＳＯＣ、劣化状態等から二次電池の放電許可エネルギー量を算出し、走行許可遅延時間を延長させることで車両の走行性能低下を回避する。
図１は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
制御部は、燃料電池の発電前処理時、且つ、燃料電池からの二次電池の出力での車両の走行要求があった際に、二次電池の放電許可エネルギーを算出し、当該放電許可エネルギーから、車両の走行要求から走行許可までに必要な走行許可遅延要求時間を算出し、且つ、車両の走行要求からの経過時間である走行許可遅延時間を計測し、走行許可遅延要求時間の値が走行許可遅延時間の値よりも小さくなった際に車両の走行を許可する。
燃料電池からの二次電池の出力での車両の走行要求は、例えば、制御部が、燃料電池の始動時の温度、燃料電池システム内の部品の凍結の有無、当該部品の故障の有無等を確認し、規定時間以内に燃料電池から一定以上の出力が可能と制御部が判断した場合に行ってもよい。これは二次電池での車両の走行後に燃料電池の出力が担保されないと車両の走行性能が低下する可能性がある。そのため、規定時間以内に燃料電池から一定以上の出力が不可能な場合は、燃料電池からの二次電池の出力での車両の走行要求は行わない。
燃料電池の温度は、例えば、燃料電池システム内に温度センサを設けて、当該温度センサを用いて燃料電池の温度を測定してもよい。温度センサは制御部と電気的に接続され、制御部は温度センサから出力された温度を検出してもよい。燃料電池の温度は、冷却水の温度であってもよい。
部品の凍結の有無は、例えば、燃料電池システム内に温度センサを設けて、当該温度センサを用いて部品の温度を測定し、当該温度が氷点下以下であれば部品が凍結していると判定してもよい。
部品の故障の有無は、例えば、燃料電池システム内に抵抗センサを設けて、部品の抵抗を測定し、当該抵抗が所定値以上であれば部品の故障と判定してもよい。
制御部は、二次電池の放電許可エネルギーを算出する。
二次電池の放電許可エネルギー（放電可能エネルギー）は、二次電池のＳＯＣ、及び、二次電池の劣化状態等から、車両の要求エネルギー等を考慮して、適宜設定してもよい。
二次電池の放電許可エネルギーは、上記に加えて、二次電池が過放電とならぬような二次電池のＳＯＣの下限値を考慮して設定してもよい。
二次電池の放電許可エネルギー（ｋＪ）は、例えば、以下の式（Ａ）から算出してもよい。
式（Ａ）： 二次電池の放電許可エネルギー＝（車両始動時の二次電池ＳＯＣ－二次電池での車両走行完了時の二次電池の目標ＳＯＣ）÷１００×二次電池の理論満充電エネルギー（ｋＪ）×二次電池の劣化係数
二次電池での車両走行完了時の二次電池の目標ＳＯＣとは、燃料電池の発電前処理開始から二次電池の電力のみで車両を走行させた場合の、燃料電池の発電前処理完了時点での二次電池のＳＯＣを意味する。
二次電池の劣化係数は、例えば、二次電池の総充放電回数等を考慮して二次電池の理論満充電エネルギーに対する現在の二次電池の実測満充電エネルギーの比から算出することができる。
制御部は、二次電池の放電許可エネルギーから、車両の走行要求から走行許可までに必要な走行許可遅延要求時間を算出する。
走行許可遅延要求時間（Ｒｅａｄｙ遅延時間）は、例えば、以下の式（Ｂ）から算出してもよい。
式（Ｂ）： 走行許可遅延要求時間（ｓｅｃ）＝（二次電池での車両走行要求時間（ｓｅｃ）×二次電池での車両走行使用電力（ｋＷ）－二次電池の放電許可エネルギー（ｋＪ））÷二次電池での車両走行使用電力（ｋＷ）
ここで、二次電池での車両走行使用電力（ｋＷ）は、例えば車両走行に使用する駆動モータの消費電力、空調機器（エアコン等）の消費電力、補機の消費電力等を考慮して見積もることができる。
制御部は、車両の走行要求からの経過時間である走行許可遅延時間を計測する。
走行許可遅延時間は、例えば、燃料電池システム内に時間計測器を設けて、当該時間計測器を用いて車両の走行要求からの経過時間を測定してもよい。時間計測器は制御部と電気的に接続され、制御部は時間計測器から出力された走行許可遅延時間を検出してもよい。
制御部は、走行許可遅延要求時間の値が走行許可遅延時間の値よりも小さくなった際に車両の走行を許可する。走行許可遅延要求時間の値が、例えば、１０秒である場合は、走行許可遅延時間の値が１０秒を超えた時点で車両の走行を許可する。換言すると、制御部は、走行許可遅延時間が１０秒を経過するまでは、車両の走行を許可しない。すなわち、制御部は、走行許可遅延要求時間の値が１０秒である場合は、強制的に１０秒間は車両の走行を許可せず、車両を待機させる。これにより、燃料電池の発電前処理中に二次電池の電力のみで車両を走行させている間に、二次電池の電力不足となり車両が停止することを抑制することができる。
２．第２の実施形態
燃料電池の発電が可能となるまで（燃料電池が起動するまで）には所定の時間がかかるため、二次電池の放電可能電力が大きい場合、燃料電池の発電が開始するまでに二次電池のエネルギー消費が多くなり、二次電池のＳＯＣが枯渇することにより二次電池の出力が低下し、最終的に二次電池で車両を走行するための電力が不足する可能性がある。
一方、燃料電池の発電が開始するまでの二次電池の出力を抑えずに車両の走行のための電力が不足しないようにするには、車両の走行要求があってから走行を許可するまでの時間を遅延させる必要があり、車両の商品価値が低下する。また、二次電池の放電可能電力が高いほど走行許可するのに必要な二次電池のＳＯＣの設定値を高くする必要があるため、さらに車両の商品価値が低下する。これは、電力（ｋＷ）×時間（ｓｅｃ）＝エネルギー（ｋＪ）であるため、電力が大きい場合と電力が小さい場合で同じ時間電力を消費する場合、電力が大きいほうが、消費エネルギーが大きくなるためである。
本開示によれば、燃料電池の発電が開始するまでの二次電池の出力を抑え、二次電池のエネルギー消費を抑えることで、燃料電池の発電が開始するまでの間、一定以上の二次電池の出力を確保し続ける。
図２は、本開示の燃料電池システムの制御方法の別の一例を示すフローチャートである。
制御部は、燃料電池の発電前処理時、且つ、車両が二次電池の電力で走行時、燃料電池が発電可能になるまでに必要な燃料電池起動要求時間内は、車両が消費する車両要求エネルギーを制限する。
一方、燃料電池起動要求時間経過後は、制御部は、車両要求エネルギーを制限せずに制御を終了する。
図３は、二次電池の電力での車両の走行許可から燃料電池の発電前処理が完了（ＦＣ起動完了）して燃料電池が発電を開始した後までの時間と電力の関係の一例を示す図である。
図３に示すようにＦＣ起動完了までは、車両駆動電力、エアコン電力等を制限し、これにより車両走行エネルギー、エアコン消費エネルギー等の車両要求エネルギーを制限してもよい。
燃料電池の発電前処理時、且つ、車両が二次電池の電力で走行時は車両から要求されるエネルギー（車両要求エネルギー）の上限を設定し、燃料電池の発電前処理完了（燃料電池の発電開始）までの二次電池の電力のみでの車両の走行時間を確保する。
燃料電池が発電可能になるまでに必要な燃料電池起動要求時間は、燃料電池の温度、燃料電池の大きさ、スタックに含まれる単セルの個数等によって異なるため、予め実験等で燃料電池起動要求時間を測定しておいて、制御部に燃料電池起動要求時間を記憶させておいてもよい。
車両要求エネルギーは、車両走行のための駆動モータの消費エネルギー、空調機器の消費エネルギー、補器の消費エネルギー等が挙げられる。
車両要求エネルギーの制限については、燃料電池が発電可能になるまでに二次電池のＳＯＣが枯渇して車両が停止することを抑制する観点から、例えば、燃料電池が発電可能になるまでに二次電池が消費するエネルギーを二次電池の放電許可エネルギー以下となるように車両要求エネルギーの上限値を設定してもよい。具体的には、車両の走行スピードの上限を下げること、エアコンの設定温度の上下限値を制限すること等により車両走行中の二次電池の消費エネルギーを低下させること等が挙げられる。
３．第３の実施形態
燃料電池の発電前処理中且つ二次電池の電力での車両走行中に何らかの要因で二次電池の出力が一定値以下に低下した場合、そのまま燃料電池が発電前処理を継続し、燃料電池の発電ができないと車両の走行性能が低下し、車両が走行不能となる可能性がある。
本開示によれば、燃料電池の発電前処理中且つ二次電池の電力での車両走行中に何らかの要因で二次電池の出力が所定の第１の閾値以下に低下し、且つ、さらに走行要求があり車両要求エネルギーが所定の第２の閾値以上になった場合、循環ポンプの駆動を停止して燃料電池の発電前処理（例えば、窒素から水素への置換処理）を途中で終了し、燃料電池の発電を早期化する。この場合、燃料電池の発電不良（負電圧）となるのを抑制するため燃料電池の所望の出力を確保するため循環ポンプの駆動を停止して燃料電池の発電を開始し、燃料電池の始動性を確保する。
循環ポンプの駆動を停止して燃料電池の発電を行う循環ポンプ無循環運転は、何らかの要因で燃料極中の窒素などの不活性ガスから水素などの燃料ガスへの置換処理（アノード燃料ガス濃度上昇処理）ができないか、当該置換処理の完了までに既定の時間よりも多くの時間がかかる場合に燃料電池の始動性、特に氷点下始動性を向上させる目的で行ってもよい。
循環ポンプ無循環運転は、具体的には、燃料電池の燃料極から排出される燃料オフガスを循環させず、系外に排出し、燃料ガス供給部からの燃料ガスのみで、燃料電池を発電させることを意味する。したがって、循環ポンプ無循環運転を実施するための燃料電池システムは、実質的に燃料ガス供給部と燃料オフガス排出部を備えている。
燃料電池の循環ポンプ無循環運転により、仮に少なくとも１つの単セル内が凍結していても当該単セル内で窒素濃度の上昇が起こりにくいため、当該単セル内に必要量の燃料ガスを供給し続けることができる。ただし、循環ポンプを回さないことによる背反として燃料極の燃料ガス流速が低下する。そのため、少なくとも１つの単セル内部の細孔、及び、スタックのアノード入口マニホールドから遠い位置の単セル等に燃料ガスを供給することが困難となり、燃料電池内に局所的な燃料ガス不足部位が発生し、燃料電池が劣化する場合があるため、循環ポンプ無循環運転の実行頻度は最小化するように設定してもよい。
図４は、本開示の燃料電池システムの制御方法のさらに別の一例を示すフローチャートである。
本開示の燃料電池システムは、さらに、燃料電池の燃料極から排出される燃料オフガスを循環させて燃料電池に戻す循環用ポンプを有し、制御部は、車両の二次電池の電力での走行中、且つ、燃料電池起動要求時間内に、二次電池の電力が所定の第１の閾値以下、且つ、車両の車両要求エネルギーが所定の第２の閾値以上になった際に、循環用ポンプの駆動を停止する。
一方、燃料電池起動要求時間経過後、二次電池の電力が所定の第１の閾値未満、又は、車両要求エネルギーが所定の第２の閾値未満の場合は、制御部は、循環用ポンプの駆動を停止せずに制御を終了する。
第１の閾値は、車両が走行不能にならない二次電池の電力（出力）であれば、特に限定されず、例えば、車両の走行に支障をきたす直前の二次電池の電力であってもよく、車両の走行性能等に応じて適宜設定することができる。
第２の閾値は、車両が走行不能にならないように、例えば、二次電池の走行許可エネルギー以下であってもよく、車両の走行性能等に応じて適宜設定することができる。
図５は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。なお、本開示の燃料電池システムは、本典型例に限定されるものではない。
図５に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１１と、循環流路１２と、気液分離器２０と、排水流路２１と、排水弁２２と、燃料ガス供給部３０と、燃料ガス供給流路３１と、酸化剤ガス供給部４０と、酸化剤ガス供給流路４１と、酸化剤ガス排出流路４２と、制御部５０と、合流流路５１と、掃気弁５２と、循環用ポンプ６０と、を備え、図示しないが、さらに二次電池を備える。
気液分離器２０、排水弁２２、燃料ガス供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、掃気弁５２、循環用ポンプ６０、図示しない二次電池は、それぞれ制御部５０と電気的に接続され制御部５０によって制御される。
１１ 燃料電池
１２ 循環流路
２０ 気液分離器
２１ 排水流路
２２ 排水弁
３０ 燃料ガス供給部
３１ 燃料ガス供給流路
４０ 酸化剤ガス供給部
４１ 酸化剤ガス供給流路
４２ 酸化剤ガス排出流路
５０ 制御部
５１ 合流流路
５２ 掃気弁
６０ 循環用ポンプ
１００ 燃料電池システム

Claims (3)

  1. 車両の始動時に、燃料電池の発電が不可能であっても二次電池の電力で走行可能な車両に搭載された燃料電池システムであって、
    前記燃料電池と、
    前記二次電池と、
    制御部と、
    前記燃料電池の燃料極から排出される燃料オフガスを循環させて前記燃料電池に戻す循環用ポンプと、を有し、
    前記制御部は、前記燃料電池の発電前処理時、且つ、前記燃料電池からの前記二次電池の出力での前記車両の走行要求があった際に、前記二次電池の放電許可エネルギーを算出し、当該放電許可エネルギーから、前記車両の走行要求から走行許可までに必要な走行許可遅延要求時間を算出し、且つ、前記車両の走行要求からの経過時間である走行許可遅延時間を計測し、
    前記制御部は、前記走行許可遅延要求時間の値が前記走行許可遅延時間の値よりも小さくなった際に前記車両の走行を許可し、
    前記制御部は、前記車両の前記二次電池の電力での走行中、且つ、前記燃料電池が発電可能になるまでに必要な燃料電池起動要求時間内に、前記二次電池の電力が所定の第１の閾値以下、且つ、前記車両が消費する車両要求エネルギーが所定の第２の閾値以上になった際に、前記循環用ポンプの駆動を停止する、ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、前記燃料電池の発電前処理時、且つ、前記車両が前記二次電池の電力で走行時、前記燃料電池が発電可能になるまでに必要な前記燃料電池起動要求時間内は、前記車両が消費する前記車両要求エネルギーを制限する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記車両の始動時が、前記車両の氷点下始動時である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
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