(57)【要約】【課題】パージ弁の閉故障を検知した時であっても、できるだけ多くの出力電流を取り出せる燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池スタック３に要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部１７と、要求電流量検知部１７が検知する出力電流量を燃料電池スタック３が発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御部１８と、燃料電池スタック３の出力状態を検出して、出力状態に応じてパージ弁１０の開閉を制御するパージ弁制御部１９と、パージ弁１０の閉故障を検知する閉故障検知部２０と、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３の電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御する閉故障対応部２１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、前記水素と前記酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを再び前記燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、前記燃料ガス循環路内の前記燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部と、
前記要求電流量検知部が検知する前記出力電流量を前記燃料電池スタックが発電するために必要な前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御部と、
前記燃料電池スタックの出力状態を検出して、前記出力状態に応じて前記パージ弁の開閉を制御するパージ弁制御部と、
前記パージ弁の閉故障を検知する閉故障検知部と、
前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御する閉故障対応部
とを備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料ガス循環路を循環する前記燃料ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの温度を下げることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記閉故障対応部は、前記閉故障検知部が前記パージ弁の閉故障を検知した時に、先ず、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げるか、或いは前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くし、その後、前記燃料電池スタックの温度を下げることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、前記水素と前記酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを再び前記燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、前記燃料ガス循環路内の前記燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知し、
前記出力電流量を前記燃料電池スタックが発電するために必要な前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給量を制御し、
前記燃料電池スタックの出力状態を検出して、前記出力状態に応じて前記パージ弁の開閉を制御し、
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料ガス循環路を循環する前記燃料ガスの流量を増加させることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料電池スタックの温度を下げることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くすることであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記パージ弁の閉故障を検知した時に、前記燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように前記燃料電池システムを制御することは、
先ず、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げるか、或いは前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くし、
その後、前記燃料電池スタックの温度を下げる
ことであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御方法。
【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の制御装置及び方法に関し、特に、パージ弁の閉故障を検知した時の燃料電池システムの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＭ型燃料電池セルを複数直列に積層してなる燃料電池スタックは、アノード（燃料極）に供給される燃料ガス（水素ガス）と、カソード（酸化剤極）に供給される酸化剤ガス（空気）とを電気化学的に反応させて発電する。発電の際に水が生成されるが、この生成水が水滴となって燃料電池セルの反応ガス（水素ガス及び空気）流路内に滞留すると、反応ガス流路をふさぎ、セル出力電圧の低下を招く。また、生成水が水滴化して反応ガス流路をふさぐと、水溜まり以後に反応ガスが供給されなくなるため、部分的にガス欠が発生し、アノード及びカソードにより挟持された固体高分子電解質膜にダメージを与えて、性能低下を生ずる。また、アノードに、カソードから窒素などが透過し、アノード内の水素濃度を下げ、セル出力電圧の低下を招く。
【０００３】
この現象は、フラッディングと称され、これを防止又は解消するために、燃料電池スタックが一定電力量又は一定の時間発電した時、或いはセル電圧が規定の電圧以下に低下した時に、生成水を外部に排出する。生成水及び窒素を装置外部に排出するために、加圧水素循環型の燃料電池システムのアノードガス循環路には水素パージ弁が設けられており、この水素パージ弁を開くことにより生成水及び窒素をアノードガス循環路から外部に排出する。
【０００４】
従来から、排気水素を燃料電池の外部へ排出する水素排出手段（水素パージ弁）の閉故障を検出して警報を発し、当該閉故障警報に応じて燃料電池への要求発電出力の上限値を規定値以下に制限する燃料電池制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−９２１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された燃料電池制御装置は、要求発電出力の上限値を規定値以下に制限するのみであり、閉故障警報を発した後においても、なるべく多くの出力を燃料電池スタックから取り出すための手段を何ら備えていない。
【０００６】
実際には、閉故障警報を発した後においても、サービス工場までの車両の自走などを考慮に入れると、なるべく多くの出力を燃料電池スタックから取り出せることが望ましいが、特許文献１に開示された燃料電池制御装置ではそのような点までは考慮されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の特徴は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、燃料ガス循環路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御装置であって、燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部と、要求電流量検知部が検知する出力電流量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御部と、燃料電池スタックの出力状態を検出して、出力状態に応じてパージ弁の開閉を制御するパージ弁制御部と、パージ弁の閉故障を検知する閉故障検知部と、閉故障検知部がパージ弁の閉故障を検知した時に、燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御する閉故障対応部とを備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の第２の特徴は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、燃料ガス循環路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックに要求される出力電流量を検知し、出力電流量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御し、燃料電池スタックの出力状態を検出して、出力状態に応じてパージ弁の開閉を制御し、パージ弁の閉故障を検知した時に、燃料電池スタックの電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パージ弁の閉故障を検知した時であっても、できるだけ多くの出力電流を取り出せる燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る車両用の燃料電池システム及びその制御装置の概略構成を示す。本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガス（水素ガス）及び酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給され、水素ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３から排出された水素ガスを再び燃料電池スタック３へ供給するための燃料ガス循環路７（水素ガス循環路）と、水素ガス循環路７内の水素ガスを外部へ排出するパージ弁１０と、燃料電池スタック３へ空気を圧縮して供給する空気コンプレッサ１と、燃料電池スタック３から排出される空気（排空気）の圧力及び流量を調整する空気圧力制御弁９と、燃料電池スタック３の水素導入口へ水素ガスを供給する水素タンク２と、水素タンク２から供給される水素ガスの圧力を調整する水素圧力制御弁２２と、燃料電池スタック３の水素排出口から排出される水素ガスを水素ガス循環路７を介して再び燃料電池スタック３の水素導入口へ循環させる水素循環ポンプ４と、燃料電池スタック３を冷却する冷却水が循環する冷却水経路１２と、冷却水経路１２内で冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ１４と、冷却水を冷却する熱交換器１３と、冷却水の循環路上に配置された温度センサ１５と、燃料電池スタック３へ水素ガスを供給する水素供給配路上に配置された圧力センサ５と、燃料電池スタック３へ空気を供給する空気供給配路上に配置された圧力センサ６と、上記の各構成要素の動作を制御する制御部１６とを備える。本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置は、制御部１６に相当する。
【００１２】
燃料電池スタック３は、水素ガスが供給される水素極（アノード）８と、空気が供給される空気極（カソード）１１と、水素極８と空気極１１により挟持された電解質膜と、水素極８と空気極１１へ水素ガス及び空気をそれぞれ供給するセパレータ（ソリッドプレート）と、燃料電池スタック３を冷却する冷却水が流れる冷却水流路とを備える。
【００１３】
水素極８に水素ガスが供給され、空気極１１に空気が供給されると、（１）式及び（２）式に示す電極反応が進行され、電力が発電される。このとき空気極１１で生成された水（Ｈ2Ｏ）は水蒸気となって、電解質膜を透過して水素極８側へ侵入する。
【００１４】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
水素極８へ供給される水素ガスは、水素タンク２から水素圧力制御弁２２を通じて供給される。なお、水素圧力制御弁２２はその開度を連続的に調整することができる可変弁である。水素タンク２から供給される高圧水素ガスは、水素圧力制御弁２２で燃料電池スタック３での水素ガス圧力が所望の水素圧に制御される。即ち、燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力は、圧力センサ５の検出値を用いながら、燃料電池スタック３に要求される出力電流量に応じて、水素圧力制御弁２２の開口面積（開度）を変化させることによって制御される。水素極８で消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ４により再循環させる。
【００１５】
パージ弁１０は、燃料電池スタック３の水素排出口に接続され、通常閉じられている。パージ弁１０の主な役割は、水素循環機能を確保するために開くことによって水素系内に蓄積した窒素を排出すること、及びセル電圧を回復させるために開くことによって水素ガス流路内の水詰まりを吹き飛ばすことである。つまり、パージ弁１０は、燃料電池スタック３が一定電力量又は一定の時間発電した時、或いは水つまり等によるセル電圧の低下が検知された時、開放されて水素ガスとともに水分及び窒素を装置外部へ排出する。
【００１６】
空気極１１へ供給される空気は先ず空気コンプレッサ１に圧送される。空気極１１内での空気圧は、圧力センサ６の検出値を用いながら、燃料電池スタック３に要求される出力電流量に応じて、空気圧力制御弁９の開口面積（開度）を変化させることによって制御される。なお、空気圧力制御弁９は可変弁である。
【００１７】
燃料電池スタック３内の冷却水流路は、冷却水循環ポンプ１４及び熱交換器１３が配置された冷却水経路１２に接続されている。冷却水は、冷却水循環ポンプ１４により冷却水経路１２及び燃料電池スタック３内の冷却水流路を循環する。熱交換器１３は、例えば、冷却水を冷却するラジエタと、ラジエタへ通風を送るラジエタファンとからなる。冷却水の温度即ち熱交換器１３の冷却能力は冷却水循環ポンプ１４及びラジエタファンの回転数を制御することによって調整される。
【００１８】
本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置、つまり制御部１６は、燃料電池スタック３に要求される出力電流量を検知する要求電流量検知部１７と、要求電流量検知部１７が検知する出力電流量を燃料電池スタック３が発電するために必要な水素ガス及び空気の供給量を制御する反応ガス供給量制御部１８と、燃料電池スタック３の出力状態を検出して、当該出力状態に応じてパージ弁１０の開閉を制御するパージ弁制御部１９と、パージ弁１０の閉故障を検知する閉故障検知部２０と、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３の電流電圧特性が向上するように燃料電池システムを制御する閉故障対応部２１とを備える。ここで、パージ弁１０の「閉故障」とは、パージ弁１０が閉じた状態で固定され、開くことができないことを示す。したがって、閉故障検知部２０により閉故障が検知された場合、パージ弁１０は、水素ガスとともに水分及び窒素を装置外部へ排出することができない。
【００１９】
なお、第１の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３内での水素ガス及び空気の少なくとも一方の圧力を上げる。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、水素圧力制御弁２２、水素循環ポンプ４及び空気圧力制御弁９を制御して、燃料電池スタック３内の水素ガス及び空気の少なくとも一方の圧力を上げる。
【００２０】
次に、図２を参照して、図１に示した燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。
【００２１】
（イ）先ず、Ｓ１１段階において、閉故障検知部２０が閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０が閉故障を検知した場合（Ｓ１１段階においてＹＥＳ）Ｓ１２段階に進み、閉故障検知部２０が閉故障を検知しない場合（Ｓ１１段階においてＮＯ）Ｓ１３段階に進む。
【００２２】
（ロ）閉故障を検知した場合、Ｓ１２段階において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力として図３の第１の特性を使用する。その後、Ｓ１４段階に進み、取り出し電流の上限を図４の第１の制限電流とする。
【００２３】
（ハ）一方、閉故障を検知しない場合、Ｓ１３段階において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力として図３の第２の特性を使用する。その後、Ｓ１５段階に進み、取り出し電流の上限値を図４の最大電流とする。
【００２４】
図３は、燃料電池スタック３から取り出される電流として設定された目標取り出し電流とこれに対する目標水素ガス圧力又は目標空気圧力との関係を示す。パージ弁１０が正常な時は第２の特性に示すように電流に対して比例的に圧力を高めていく。一方、パージ弁１０が閉故障した時は特性Aに示すように特性Bに対して同じ電流に対する圧力を高くする。図３の第１の特性はパージ弁１０が閉故障である時の特性を示し、目標取り出し電流の値に係わらず、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力は一定であり、図３の第２の特性はパージ弁１０が正常な時の特性を示し、目標取り出し電流の増加に伴い、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力も増加し、その増加率は一定である。
【００２５】
図４は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図４の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図４の第２の特性である。一方、パージ弁１０の閉故障時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第１の特性で制御した時の電流電圧特性が第１の特性である。一般的に、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を高めたこと、すなわちガス密度が上がったことにより、電流電圧特性が図４の第２の特性に対して向上し、同じ下限電圧に対して取り出しの上限電流を、第２の制限電流から第１の制限電流に増やすことが可能となる。
【００２６】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、水素排出手段の一例としてのパージ弁１０の閉故障を検知した時に、閉故障対応部２１が、通常の運転より燃料電池スタック３内の水素ガス（アノードガス）及び空気（カソードガス）の少なくとも一方のガス圧力を上げることにより、燃料電池スタック３の電流電圧特性を向上させ、より多くの出力を取り出すことができる。
【００２７】
また、図１に示す燃料電池システム及びその制御装置を車両に搭載してその電力源とした場合、パージ弁１０の閉固着など、燃料電池システムが水素不足に陥った時においても、可能な範囲で車両を動かせることができるため、サービス工場などまで自走できることができる。
【００２８】
従来においては、スタック保護の観点から、燃料電池スタック３の出力電圧が所定の下限値を下回れば発電を停止（フェール）としていたが、発電停止の頻度を下げるために、電圧低下に応じて燃料電池スタック３の出力を減らすことで電圧の低下を防止し、それでも電圧が所定の下限値を下回れば発電停止（フェール）としていた。しかし、下記に示す問題により、上記従来技術では対応できない場合がある。即ち、電圧についての所定の下限値は定格運転時の電圧付近であり、電圧に対する上限出力特性は急にならざるを得ない。また、急な出力制限特性であるので、例えばパージ弁１０の閉固着などによる極端な水素不足の際には、燃料電池スタック３自身の電流電圧特性も急変するので、干渉して制御がハンチングする場合があり、結局電圧が所定の下限値を下回る場合があった。本発明の第１の実施の形態によれば、パージ弁閉固着など、水素不足になる状態を検知した場合には、水素ガス及び空気の少なくとも一方のガス圧を上げることにより、電流電圧特性が向上する方向に、燃料電池スタック３の運転点を動かし、多くの出力が取れるようになる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置（制御部１６）は、閉故障対応部２１を除き、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。
【００３０】
第２の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、水素ガス循環路７を循環する水素ガスの流量を増加させる。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、水素循環ポンプ４を制御して、水素ガス循環路７を循環する水素ガスの流量を増加させる。
【００３１】
次に、図５を参照して、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。
【００３２】
（イ）先ず、Ｓ２１段階において、閉故障検知部２０が閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０が閉故障を検知した場合（Ｓ２１段階においてＹＥＳ）Ｓ２２段階に進み、閉故障検知部２０が閉故障を検知しない場合（Ｓ２１段階においてＮＯ）Ｓ２３段階に進む。
【００３３】
（ロ）閉故障を検知した場合、Ｓ２２段階において、水素循環ポンプ４の目標回転数を最大とする。つまり、水素循環ポンプ４の目標回転数として、図６の第１の目標回転数を使用する。その後、Ｓ２４段階に進み、取り出し電流の上限を図７の第２の制限電流とする。
【００３４】
（ハ）一方、閉故障を検知しない場合、Ｓ２３段階において、水素循環ポンプ４の目標回転数として、図６の第２の目標回転数を使用する。その後、Ｓ２５段階に進み、取り出し電流の上限値を図７の最大電流とする。
【００３５】
図６は、燃料電池スタック３の目標取り出し電流に対する水素循環ポンプ４の回転数の特性を示す。パージ弁１０が正常な時は、第２の目標回転数に示すように最低限のストイキ比を確保するために、電流に対して比例的に水素循環ポンプ４の回転数を高めていく。一方、パージ弁１０が閉故障した時は、第１の目標回転数に示すように第２の目標回転数に対して同じ電流に対する水素循環ポンプ４の回転数を高める。図６の第１の目標回転数はパージ弁１０が閉故障である時を示し、目標取り出し電流の値に係わらず、水素循環ポンプ４の回転数は一定であり、図６の第２の特性はパージ弁１０が正常な時の特性を示し、目標取り出し電流の増加に伴い、水素循環ポンプ４の回転数も増加し、その増加率は一定である。
【００３６】
図７は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図７の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、目標水素ガス圧力又は目標空気圧力を図３の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図７の第２の特性である。パージ弁１０の閉故障時に対応して、取り出しの上限電流を、図４の第２の制限電流にする必要がある。一方、水素循環ポンプ４の回転数を増やすと水素ガスの循環流量が増加するので、パージ弁１０の閉故障に伴い増加する水素極８内の窒素を拡散させることができる。その結果、水素極８内で窒素濃度が不均一になることによる燃料電池スタック３内の特定セルの劣化を防止することができ、燃料電池システムを停止させることなく発電を継続することができる。
【００３７】
図８は、パージ弁１０の閉故障時に水素循環ポンプ４を第１の目標回転数及び第２の目標回転数とで制御した場合のそれぞれのセル電圧の頻度分布を示す。セル電圧の平均は、第１の目標回転数及び第２の目標回転数とでほぼ同じであり、第１の目標回転数よりも第２の目標回転数の方が比較的広い範囲に分布している。
【００３８】
また、水素極８内の凝縮水による閉塞を防止することもでき、水素ガス欠乏による燃料電池スタック３内の特定セルの劣化を防止することができ、燃料電池システムを停止させることなく発電を継続することができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置（制御部１６）は、閉故障対応部２１を除き、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。
【００４０】
第３の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３の温度を下げる。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、熱交換器１３の冷却能力を高め、冷却水循環ポンプ１４の循環量を増やして、燃料電池スタック３の温度を下げる。
【００４１】
次に、図９を参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。
【００４２】
（イ）先ず、Ｓ３１段階において、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した場合（Ｓ３１段階においてＹＥＳ）Ｓ３２段階に進み、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知しない場合（Ｓ３１段階においてＮＯ）Ｓ３３段階に進む。
【００４３】
（ロ）パージ弁１０の閉故障を検知した場合、Ｓ３２段階において、燃料電池スタック３の目標温度として図１０の第１の特性を使用する。その後、Ｓ３４段階に進み、取り出し電流の上限を図１１の第２の制限電流とする。
【００４４】
（ハ）一方、パージ弁１０の閉故障を検知しない場合、Ｓ３３段階において、燃料電池スタック３の目標温度として図１０の第２の特性を使用する。その後、Ｓ３５段階に進み、取り出し電流の上限値を図１１の最大電流とする。
【００４５】
図１０は、燃料電池スタックから取り出される目標電流（取り出し電流）に対する燃料電池スタック３の目標温度の特性を示す。パージ弁１０の閉故障時においては、第１の特性に示すように、パージ弁１０の正常時における第２の特性に対して同じ電流に対する燃料電池スタック３の温度を低く設定する。
【００４６】
図１１は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、燃料電池スタック３の温度を図１０の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１１の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、燃料電池スタック３の温度を図１０の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１１の第２の特性である。一方、パージ弁１０の閉故障時において、燃料電池スタック３の温度を図３の第１の特性で制御した時の電流電圧特性が第１の特性である。
【００４７】
一般的に、図１２に示すように、燃料電池スタック３の温度が低下すると、燃料電池スタック３内の飽和水蒸気圧も低下する。よって、水素極８の飽和水蒸気圧を下げる、即ち水素密度を上昇させることにより、図１１の電流電圧特性が第２の特性に対して向上し、同じ下限電圧に対して取り出しの上限電流を第２の制限電流から第１の制限電流へ増やすことが出来る。但し、燃料電池スタック３の温度が低くなるとその分、燃料電池スタック３の電流電圧特性も悪くなるので、上記効果との相殺を考慮して目標温度は実験などで事前に決めておくことが望ましい。
【００４８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置（制御部１６）は、閉故障対応部２１を除き、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。
【００４９】
第４の実施の形態において、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力を空気の圧力よりも高くする。具体的には、パージ弁１０が閉故障を起こして水素ガスが不足した状態を閉故障検知部２０が検知した場合、閉故障対応部２１は、空気圧力制御弁９或いは水素圧力制御弁２２を操作して、燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力を空気の圧力よりも高くする。
【００５０】
次に、図１３を参照して、第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置の動作手順（燃料電池システムの制御方法）を説明する。
【００５１】
（イ）先ず、Ｓ４１段階において、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知したか否かを判断する。閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した場合（Ｓ４１段階においてＹＥＳ）Ｓ４２段階に進み、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知しない場合（Ｓ４１段階においてＮＯ）Ｓ４３段階に進む。
【００５２】
（ロ）パージ弁１０の閉故障を検知した場合、Ｓ４２段階において、水素極８と空気極１１との差圧として図１４の第１の特性を使用する。その後、Ｓ４４段階に進み、取り出し電流の上限を図１５の第１の制限電流とする。
【００５３】
（ハ）一方、パージ弁１０の閉故障を検知しない場合、Ｓ４３段階において、水素極８と空気極１１との差圧として図１４の第２の特性を使用する。その後、Ｓ４５段階に進み、取り出し電流の上限値を図１５の最大電流とする。
【００５４】
図１４は、燃料電池スタック３から取り出される目標電流（取り出し電流）に対する水素極８と空気極１１の差圧の特性を示す。パージ弁１０の正常時においては、第２の特性に示すように水素極８と空気極１１との間に差圧を設定しない。一方、パージ弁１０の閉故障時においては、第１の特性になるように水素極８と空気極１１との間に差圧を設定する。
【００５５】
図１５は、パージ弁１０の閉故障時及び正常時における燃料電池スタック３の電流電圧特性を示す。パージ弁１０の正常時において、水素極８と空気極１１との差圧を図１４の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１５の第３の特性である。パージ弁１０の閉故障時において、水素極８と空気極１１との差圧を図１４の第２の特性で制御した時の電流電圧特性が図１５の第２の特性である。一方、パージ弁１０の閉故障時において、水素極８と空気極１１との差圧を図１４の第１の特性で制御した時の電流電圧特性が図１５の第１の特性である。
【００５６】
また、図１６に示すように、空気極１１から水素極８への窒素透過速度も水素極８と空気極１１との窒素分圧差が大きければその分だけ大きくなるので、水素極８内の水素濃度が低下していくまでの時間を長く稼ぐことができる。
【００５７】
第４の実施の形態によれば、パージ弁１０の閉故障を検知したときに、燃料電池スタック３内の水素ガスの圧力が空気よりも高くなるように制御することで、空気極１１から水素極８にクロスリークしてくる窒素流量ひいては平衡濃度を減らすことができる。その結果、水素極８内の水素濃度があがり、燃料電池スタック３の電流電圧特性を向上させ、より多くの出力を取り出すことができる。
【００５８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５９】
例えば、上述した複数の実施の形態を組み合わせて１つの実施の形態としても構わない。具体的には、閉故障対応部２１は、閉故障検知部２０がパージ弁１０の閉故障を検知した時に、先ず、燃料電池スタック３内での水素ガス及び空気の少なくとも一方の圧力を上げるか、或いは燃料電池スタック３内での水素ガスの圧力を空気の圧力よりも高くし、その後、燃料電池スタック３の温度を下げる。簡単に言うと、パージ弁１０の閉故障を検出したら、第１又は第４の実施の形態の処理を開始し、所定時間経過したら、その後に第３の実施の形態の処理を行う。
【００６０】
この組合せにより、最初に第１又は第４の実施の形態の処理を行わなかった時に比べ、水素極８の窒素濃度が平衡するまでの時間を長くすることができる。その結果、水素極８内の水素濃度が低下していくまでの時間を長くすることができ、長い時間、燃料電池スタック３の電流電圧特性を向上させ、より長い間の高い出力を取り出すことができる。
【００６１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの制御装置の動作手順、即ち第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流とこれに対する目標水素ガス圧力又は目標空気圧力との関係を示すグラフである。
【図４】燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。
【図５】第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図６】燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流とこれに対する水素循環ポンプの回転数との関係を示すグラフである。
【図７】燃料電池スタックから取り出される電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。
【図８】パージ弁の閉故障時に図６の第１及び第２の目標回転数で制御した場合の燃料電池スタックを構成する複数の単位セルの電圧分布を示すグラフである。
【図９】第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１０】燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流と燃料電池スタックの温度との関係を示すグラフである。
【図１１】パージ弁の閉故障時及び正常時における、燃料電池スタックから取り出される電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。
【図１２】燃料電池スタックの温度と飽和水蒸気圧の関係を示すグラフである。
【図１３】第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１４】燃料電池スタックから取り出される電流として設定された目標取り出し電流と燃料電池スタック内での水素ガスと空気の差圧との関係を示すグラフである。
【図１５】パージ弁の閉故障時及び正常時における、燃料電池スタックから取り出される電流と燃料電池スタックの電圧との関係を示すグラフである。
【図１６】水素極と空気極との窒素分圧差と空気極から水素極への窒素透過速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１…空気コンプレッサ
２…水素タンク
３…燃料電池スタック
４…水素循環ポンプ
５、６…圧力センサ
７…水素ガス循環路（燃料ガス循環路）
８…水素極（燃料極）
９…空気圧力制御弁
１０…パージ弁
１１…空気極（酸化剤極）
１２…冷却水経路
１３…熱交換器
１４…冷却水循環ポンプ
１５…温度センサ
１６…制御部
１７…要求電流量検知部
１８…反応ガス供給量制御部
１９…パージ弁制御部
２０…閉故障検知部
２１…閉故障対応部
２２…水素圧力制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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