(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の劣化に基づく燃料電池の耐久性の低下を生じ難い燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池１と、燃料電池１で発電された電力又は外部負荷装置７から供給された電力を蓄電可能なキャパシタ２と、キャパシタ２に蓄電された電力により駆動され、燃料電池１を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、キャパシタ２に蓄電された電力により駆動され、燃料電池１を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段と、制御手段とを備える。制御手段は、燃料電池１の発電起動動作に必要な蓄電量がキャパシタ２にない場合及び／又は発電停止動作に必要な蓄電量がキャパシタ２にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段と、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び／又は発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、固体高分子膜が燃料極と空気極とで挟持され、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有し、
前記発電起動手段は、該燃料電池の発電起動時に、該燃料室内の空気を該燃料ガスの加圧供給により置換するものであり、
前記発電停止手段は、該燃料電池の発電停止時に、該燃料室内の該燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び／又は発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の固体高分子膜型の燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）を適用した燃料電池システムが開示されている。
【０００３】
この燃料電池システムに適用される燃料電池は、燃料ガスと空気とが供給されることにより発電するものである。そして、この燃料電池は、イオン交換樹脂からなる電解質膜である固体高分子膜を燃料極（アノード極、水素極ともいう。）と空気極（カソード極、酸素極ともいう。）とで挟持したものであり、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有している
【０００４】
このよう構成の燃料電池システムでは、燃料電池の発電起動時に、燃料電池の発電起動時に、燃料室内に供給開始された燃料ガスと停止時に燃料室内に置換された空気とが燃料室内で偏在し、燃料極の表面において反応の分布が不均一になる事態が生じるおそれがある。このような事態が生じた場合には、燃料室内では、局所的な異常発電状態を生じ、燃料電池が劣化する。
【０００５】
このため、この燃料電池システムは、上述した燃料電池の発電起動時の劣化を防止することが可能な発電起動手段を有している。発電起動手段は、燃料電池の発電起動時に、燃料室内の空気を燃料ガスの加圧供給により置換することが可能とされている。具体的には、発電起動手段は、燃料電池の発電起動時に、燃料室と連通する排出路を開通させた後で、燃料室内に新たに通常発電時よりも高い供給圧の燃料ガスを供給し、燃料室内の空気をその燃料ガスで置換しつつ、排出路により急速に排出させることができる。こうして、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時の劣化を防止することができている。
【０００６】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時に、燃料ガスと空気との化学的反応が燃料室内で継続して起こって燃料電池に劣化が生じることを防止するため、外部から空気が燃料室内に導入されて、燃料室内を満たしていた燃料ガスが空気と置換される。しかし、この場合にも、発電起動時と同様に、燃料ガスと空気とが燃料室内で偏在し、燃料極の表面において反応の分布が不均一になる事態が生じるおそれがある。このような事態が生じた場合にも、燃料室内では、局所的な異常発電状態を生じ、燃料電池が劣化する。
【０００７】
このため、特許文献２には、上述した燃料電池の発電停止時の劣化を防止することが可能な発電停止手段を有する燃料電池システムが開示されている。発電停止手段以外の構成は、特許文献１とほぼ同様であるので、説明は省略する。
【０００８】
この燃料電池システムにおいて、発電停止手段は、燃料電池の発電停止時に、燃料室内の燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものである。具体的には、発電停止手段は、燃料電池の発電停止時に、まず、燃料ガスの供給路を遮断するとともに、燃料室と連通する排出路を開通させる。次に、燃料室内の燃料ガスをポンプ等で吸引して強制的に排出路から排出させて減圧状態とする。その後、燃料室内に連通する外気路から燃料室内に外部の空気を供給することにより、燃料ガスと空気とが燃料室内で偏在することなく、燃料室内を空気で置換することができる。こうして、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起停止時の劣化を防止することができている。
【０００９】
一方、特許文献３には、燃料電池と並列に設けられた蓄電手段としてのキャパシタとを備えた燃料電池システムが開示されている。
【００１０】
この燃料電池システムは、例えば、自動車に搭載されるものであり、燃料電池とキャパシタとが並列に駆動モータや燃料供給手段等の補機類である外部負荷装置に接続されている。
【００１１】
コントロールシステムは、燃料電池及びキャパシタのどちらか一方又は両方が外部負荷装置に電力を供給するよう切り替え制御することが可能とされている。また、コントロールシステムは、燃料電池の電力により又は外部負荷装置の回生エネルギーによりキャパシタを充電するように制御することも可能とされている。
【００１２】
このような構成である特許文献２の燃料電池システムは、自動車の走行状況に応じて、燃料電池とキャパシタとを切り替えながら外部負荷装置に電力を供給することができる。
【００１３】
具体的には、例えば、自動車の定常運転時にアクセルを踏み込んだ場合には、加速の初期段階においてキャパシタが支配的に電力を供給し、加速の終期には、燃料電池が支配的に電力を供給する定常状態に戻る。こうして、スムーズな加速応答を実現できる。
【００１４】
また、自動車の始動時には、燃料電池が電力を供給できないので、キャパシタが電力を供給して、電磁弁や補機類等の発電起動手段を駆動し、燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる。さらに、自動車の停止時には、燃料電池を外部負荷装置から切り離した上で、キャパシタが電力を供給して、電磁弁や補機類等の発電停止手段を駆動し、燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる。また、自動車の減速時には、駆動モータの回生エネルギーをキャパシタに供給してキャパシタを充電する。
【００１５】
こうして、この燃料電池システムは、自動車のスムースな走行を実現するとともに、エネルギー効率の向上も図っている。
【００１６】
また、この燃料電池システムにおいて、コントロールシステムは、キャパシタの両端子間の電圧と、燃料電池の開放時の両端子間の電圧とを測定する。このため、この燃料電池システムは、キャパシタの両端子間の電圧と、燃料電池の開放時の両端子間の電圧との差異が閾値を超えた場合に、燃料電池とキャパシタとの切り替えをチョッピング制御し、燃料電池からキャパシタに過大な電流が流れることを防止している。
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９６３０号公報
【特許文献３】特開２００３−１９７２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、上記特許文献１及び２のように発電起動手段及び発電停止手段を備えるとともに、上記特許文献３のように蓄電手段を備えた燃料電池システムにおいて、蓄電手段の貯蔵電力が過度に消費されて、蓄電手段の蓄電量が大幅に低下してしまう事態も生じ得る。
【００１９】
例えば、燃料電池に不具合が生じて異常停止動作に移行したにもかかわらず、自動車の操縦指令系統と燃料電池システムの制御手段との間で、異常停止の信号の授受が遅延する等の不具合が生じた場合、自動車は蓄電手段の貯蔵電力のみで走行を継続するおそれがある。その結果、自動車の走行中に蓄電手段の貯蔵電力が過度に消費されて、蓄電量が大幅に低下してしまう事態が生じ得る。
【００２０】
また、燃料電池の通常発電時において、燃料電池への高負荷状態が継続し、燃料電池自体で電力出力を維持できない場合も、自動車は、並列回路の制御上、燃料電池と並列に設けられた蓄電手段の貯蔵電力に頼って走行を継続するおそれがある。その結果、上記と同様の事態が生じ得る。
【００２１】
さらに、蓄電手段に例えば充電不良等の不具合が生じた場合も、蓄電手段の貯蔵電力が消費されるばかりであり、上記と同様の事態が生じ得る。
【００２２】
このように蓄電手段の貯蔵電力が過度に消費されて、蓄電量が大幅に低下してしまう事態が燃料電池の発電起動時や発電停止時に生じてしまうと、蓄電手段から発電起動手段又は発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動手段又は発電停止手段を構成する電磁弁や補機類等を正常に駆動することができない。その結果、燃料電池システムは、発電起動動作や発電停止動作の残りの処理を完遂することができないこととなり、上述の理由により、燃料電池に劣化を生じ、これによって燃料電池の耐久性が低下してしまうこととなる。
【００２３】
この点、上記特許文献３開示の燃料電池システムは、蓄電手段の両端子間の電圧を検知し、これによって燃料電池から蓄電手段に過大な電流が流れることを防止するにすぎないことから、上記のような蓄電手段の蓄電量不足による燃料電池の劣化を防止することはできない。
【００２４】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の劣化に基づく燃料電池の耐久性の低下を生じ難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段と、
該蓄電手段に蓄電された電力により駆動され、該燃料電池を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段と、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び／又は発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２６】
制御手段は、具体的には、例えば、蓄電手段の両端子間の電圧値や電流値等に基づき、蓄電手段の蓄電量を測定する。また、制御手段は、発電起動時判定ルーチン及び／又は通常発電時判定ルーチンを有する。発電起動時判定ルーチンは、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定し、通常発電時判定ルーチンは、発電停止動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定する。そして、制御手段は、異常と判定した場合に警報信号を発する。以下、判定手順を詳述する。
【００２７】
発電起動時判定ルーチンは、まず、燃料電池の発電起動時において、「測定した蓄電手段の蓄電量」（ｗ）と、「燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量」（Ｗｓ１）とを比較し、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｓ１）が蓄電手段にない場合（ｗ＜Ｗｓ１）に異常と判定する。それにより、制御手段は警報信号を発する。その結果、燃料電池システムは異常を認知し、異常停止等の必要な処理に移行することができる。このため、たとえ、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合であっても、燃料電池の発電起動時に、蓄電手段の蓄電量がなくなり、所定の発電起動動作を完遂できない事態を回避できるのである。
【００２８】
逆に、ｗ≧Ｗｓ１であれば、発電起動時判定ルーチンは、蓄電手段は蓄電量不足でないと判定する。その結果、燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時の動作を順次実行する。このため、燃料電池の発電起動時に、蓄電手段の蓄電量がなくなり、所定の発電起動動作を完遂できない事態は生じないのである。
【００２９】
また、通常発電時判定ルーチンは、燃料電池の通常発電時において、継続的に又は比較的短い間隔で定期的に、「測定した蓄電手段の蓄電量」（ｗ）と、「燃料電池の発電停止動作に必要な蓄電量」（Ｗｃ１）とを比較し、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｃ１）が蓄電手段にない場合（ｗ＜Ｗｃ１）に異常と判定する。それにより、制御手段は警報信号を発する。その結果、燃料電池システムは異常を認知し、異常停止等の必要な処理に移行することができる。このため、たとえ、燃料電池の発電停止動作に必要な蓄電量が蓄電手段にない場合であっても、燃料電池の発電停止時に、蓄電手段の蓄電量がなくなり、所定の発電起動動作を完遂できない事態を回避できるのである。
【００３０】
逆に、ｗ≧Ｗｃ１であれば、通常発電時判定ルーチンは、蓄電手段は蓄電量不足でないと判定する。その結果、燃料電池システムは、そのまま、燃料電池の通常発電時の動作を継続する。このため、この状況下でなんらかの不具合により燃料電池が発電停止しなければならなくなった場合でも、燃料電池の発電停止時に、蓄電手段の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態は生じないのである。
【００３１】
このため、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時又は発電停止時に、蓄電手段から発電起動手段又は発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動手段又は発電停止手段を正常に駆動することができないという事態を予防し、その結果として、ひとたび、発電起動動作や発電停止動作に移行した場合には、その処理を完遂することができる。
【００３２】
このため、この燃料電池システムは、所定の発電起動動作や発電停止動作を完遂できないことに起因する燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００３３】
したがって、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の劣化に基づく燃料電池の耐久性の低下を生じ難いのである。
【００３４】
なお、上記のＷｓ１及びＷｃ１については、蓄電手段の蓄電量の測定誤差や様々な運転状況によるばらつきを考慮して、相当なマージンが加算されていることが好ましい。
【００３５】
請求項２に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、固体高分子膜が燃料極と空気極とで挟持され、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有し、
前記発電起動手段は、該燃料電池の発電起動時に、該燃料室内の空気を該燃料ガスの加圧供給により置換するものであり、
前記発電停止手段は、該燃料電池の発電停止時に、該燃料室内の該燃料ガスを強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換するものである。
【００３６】
この場合、発電起動手段は、上述の通り、燃料電池の発電起動時の劣化を一層効果的に防止するものであり、発電停止手段も、上述の通り、燃料電池の発電停止時の劣化を一層効果的に防止するものである。このため、請求項２に係る燃料電池システムは、本発明の効果を一層享受することができる。
【００３７】
請求項３に係る燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるものである。
【００３８】
この場合、請求項３に係る燃料電池システムは、燃料電池を確実に異常停止させることができるので、燃料電池システムの安全性を一層高めることができる。
【００３９】
本発明は燃料電池システムの運転方法でもあり得る。請求項４に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと空気とが供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池で発電された電力又は外部負荷装置から供給された電力を蓄電可能な蓄電手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
該燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合及び／又は発電停止動作に必要な蓄電量が該蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定して警報信号を発することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明を具体化した実施例１を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００４１】
図１に示す実施例１の燃料電池システム１００は、図２に示す固体高分子膜型の燃料電池１を適用したものである。
【００４２】
この燃料電池１は、２枚のエンドプレート２０ａ、２０ｂの間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体１０が挟持されたものである。積層体１０は、図３に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）１１をセパレータ１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ１１は、イオン交換樹脂からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる燃料極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極１１ｃとからなる。全ての燃料極１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図２に示すように、両集電板の各端子１ａ、１ｂは燃料電池１から突出されている。
【００４３】
図３に示すように、各セパレータ１２の燃料極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスである水素ガスが燃料極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって酸素を含む空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。燃料室１２ａは水平方向に開口されており、空気室１２ｂは燃料室１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体１０の両端のセパレータ１２には燃料室１２ａ又は空気室１２ｂだけが形成されている。こうして一枚のＭＥＡ１１と一対のセパレータ１２とによって個々の燃料電池のセル１０ａが構成されている。各セル１０ａの全ての燃料室１２ａは、図２に示すように、一方のエンドプレート２０ａに形成された供給口２１ａ及び他方のエンドプレート２０ｂに形成された排出口２１ｂに連通している。
【００４４】
そして、この燃料電池１は、図１に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム１００を構成する。
【００４５】
燃料電池１の燃料室１２ａに設けられた供給口２１ａ及び排出口２１ｂには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室１２ａ内への水素ガスの供給又は燃料室１２ａからの水素ガスの排出を実施したり、燃料室１２ａ内を外気で置換したりすることが可能とされている。
【００４６】
供給口２１ａの最も上流側には水素タンク５０があり、水素タンク５０には、接続点Ａで合流するように並列に配置された配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃが設けられている。配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、水素タンク５０側から、各々が水素元電磁弁６０ａ、６０ｂ、６０ｃと、１次圧力センサ７１ａ、７１ｂ、７１ｃと、水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃとを有している。
【００４７】
接続点Ａから接続点Ｂを介して接続点Ｃまでには配管５２ａが設けられ、接続点Ｂから接続点Ｃまでには、配管５２ａと並列に配管５２ｂが設けられている。配管５２ａは、接続点Ｂより上流に２次圧力センサ７２を有し、接続点Ｂより下流に水素２次圧レギュレータ６２ａを有している。また、配管５２ｂは水素起動電磁弁６２ｂを有している。
【００４８】
接続点Ｃから接続点Ｄまでには、配管５３が設けられている。配管５３は、水素供給電磁弁６３を有し、その下流に３次圧力センサ７３を有している。３次圧力センサ７３は、水素供給電磁弁６３と供給口２１ａとの間の圧力を検知することが可能とされている。
【００４９】
接続点Ｄから供給口２１ａまでには、配管５４が設けられている。配管５４は、配管５４内の圧力が過度に上昇した場合に開放されて、配管５４内の気体を大気に放出するリリーフ弁６４を有している。
【００５０】
排出口２１ｂから接続点Ｅまでには、配管５６が設けられている。配管５６は、レベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７を有し、その下流に水素ポンプ８１を有している。
【００５１】
配管５６の途中のドレインタンク８７から接続点Ｆを介して後述するダクト９１までには、配管５７が設けられている。配管５７は、接続点Ｆよりも上流に水素起動排気電磁弁６７を有している。
【００５２】
水素ポンプ８１の下流側の接続点Ｅから接続点Ｆまでには、配管５８が設けられている。配管５８は、水素停止排気電磁弁６８を有している。
【００５３】
接続点Ｅから接続点Ｇを介して接続点Ｄまでには、配管５９が設けられている。配管５９は、接続点Ｅと接続点Ｇとの間に水素循環電磁弁６９を有している。
【００５４】
接続点Ｇには、他端が開放されている配管５５が設けられている。配管５５は、外気導入電磁弁６５と、開放端に装着されるフィルタ５５ｂとを有している。
【００５５】
配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂ、５３、５４が供給路である。そして、供給路の一部である配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂと、水素元電磁弁６０ａ、６０ｂ、６０ｃと、１次圧力センサ７１ａ、７１ｂ、７１ｃと、水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、２次圧力センサ７２と、水素２次圧レギュレータ６２ａと、水素起動電磁弁６２ｂとが水素ガスの供給圧を調整する燃料供給圧調整手段５１である。
【００５６】
燃料供給圧調整手段５１は、水素起動電磁弁６２ｂの開通又は遮断の切り替えにより、水素ガスの供給圧を水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの設定圧又は水素２次圧レギュレータ６２ａの設定圧に切り替えることが可能とされている。特に、この燃料供給圧調整手段５１は、燃料電池１の発電起動時の水素ガスの供給圧を燃料電池１の通常発電時の供給圧よりも高くするものであるので、水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの設定圧が例えば０．３ＭＰａとされて、水素２次圧レギュレータ６２ａの設定圧である０．１ＭＰａよりも高く設定されている。
【００５７】
この燃料供給圧調整手段５１と、供給路の残りの配管５３、５４と、水素供給電磁弁６３と、３次圧力センサ７３とによって、水素タンク５０から供給口２１ａに、所定の供給圧に調整された水素ガスを供給するための燃料供給手段が構成されている。
【００５８】
また、配管５６、５７が排出路であり、配管５６、５８が副排出路である。排出路としての配管５６、５７と、レベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７と、水素起動排気電磁弁６７とによって、排出口２１ｂから排出路を経由して排気水素ガスを排出するための燃料排出手段が構成され、副排出路としての配管５６、５８と、水素ポンプ８１と水素停止排気電磁弁６８とによって、排出口２１ｂから副排出路を経由して排気水素ガスを排出するための副燃料排出手段が構成されている。
【００５９】
さらに、配管５６、５９、５４が排出口２１ｂと供給口２１ａとを連結する循環路である。循環路としての配管５６、５９、５４と、水素ポンプ８１と、水素循環電磁弁６９とによって、供給口２１ａに排気水素ガスを供給するための燃料循環手段が構成されている。
【００６０】
また、配管５５、５９、５４が外気路である。外気路としての配管５５、５９、５４と、フィルタ５５ｂと外気導入電磁弁６５とによって、供給口２１ａに外部の空気を供給し、燃料室１２ａ内を空気で置換する外気置換手段が構成されている。
【００６１】
また、燃料電池１の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド４２が設けられている。この空気マニホールド４２には、フィルタ４１ａを有する空気吸入ファン４１が接続されており、空気室１２ｂ内に空気を供給可能とされている。また、空気マニホールド４２には、水噴射ノズル９９が配設されている。この水噴射ノズル９９は、配管９８によりレベルゲージ９７ａが内装された水タンク９７と接続されている。配管９８は、フィルタ９８ａ及び水直噴ポンプ８３を有している。
【００６２】
さらに、燃料電池１の下方には、温度センサ９０ａを有する空気排出経路９０と、凝縮器９２と、凝縮器ファン９３と、排出された空気を空気排出経路９０から凝縮器９２まで導くダクト９１とが設けられて、空気室１２ｂ内から空気を排出可能とされている。凝縮器９２は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管９４と、フィルタ９４ａと、温度センサ９４ｂとを有しているとともに、分離された水を水タンク９７に移送する配管９６と、水回収ポンプ８２とを有している。
【００６３】
燃料供給手段、燃料供給圧調整手段５１、燃料排出手段、副燃料排出手段、燃料循環手段及び外気置換手段は、コントロールシステム４５と電気的に接続されて、制御可能とされている。また、空気吸入ファン４１、レベルゲージ９７ａ、水直噴ポンプ８３、温度センサ９０ａ、凝縮器ファン９３その他の構成部品も、コントロールシステム４５と電気的に接続されて、制御可能とされている。
【００６４】
ここで、燃料電池１を所定の発電起動動作で発電起動させる発電起動手段は、燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段である。この発電起動手段は、後述する蓄電手段に蓄電された電力により駆動される。
【００６５】
また、燃料電池１を所定の発電停止動作で発電停止させる発電停止手段は、燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、外気置換手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段である。この発電停止手段は、後述する蓄電手段に蓄電された電力により駆動される。
【００６６】
また、コントロールシステム４５は、後で図７及び図８を用いて詳述する制御手段を備える。制御手段は、図７に示す発電起動時判定ルーチン及び図８に示す通常発電時判定ルーチンを有する。制御手段は、発電起動時判定ルーチンにおいて、燃料電池１の発電起動動作に必要な蓄電量が後述する蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定し、通常発電時判定ルーチンにおいて、燃料電池１の発電停止動作に必要な蓄電量が後述する蓄電手段にない場合に異常が発生したと判定するものである。そして、制御手段は、異常と判定した場合に警報信号を発し、燃料電池１を所定の異常停止動作で停止させるものである。
【００６７】
この燃料電池システム１００は、自動車に搭載されるものであり、図４に示すように、燃料電池１と並列に設けられた蓄電手段としてのキャパシタ２を備えている。
【００６８】
燃料電池１とキャパシタ２とは、並列に外部負荷装置７に接続されている。外部負荷装置７は図示しない駆動モータや燃料供給手段等の補機類及び駆動モータを制御する図示しないインバータ等である。
【００６９】
燃料電池１の燃料極１１ａ側の端子１ａには、コントロールシステム４５の一部を構成するリレー３、ダイオード４及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）５とが直列に接続されている。他方、キャパシタ２には、電圧計６が並列に接続されている。
【００７０】
リレー３は、燃料電池１を外部負荷装置と接続したり、外部負荷装置から切り離したりするものであり、ダイオード４は、キャパシタ２から電流を遮断するものであり、ＩＰＭ５は、燃料電池１とキャパシタ２との電力供給の分担を状況に応じて、調整するものである。
【００７１】
電圧計６は、制御手段の一部を構成するものであり、キャパシタ２の両端子２ａ、２ｂ間の電圧を測定する。ここで、キャパシタ２の蓄電量（ｗ）は、キャパシタ２の両端子２ａ、２ｂ間の電圧に比例する。このため、制御手段は、発電起動時判定ルーチンにより、電圧計６により測定した「キャパシタ２の両端子２ａ、２ｂ間の電圧値」（ｖ）と、「燃料電池１の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｓ１）に相当する閾値」（電圧値Ｖｓ１）とを比較するという簡便な方法により、燃料電池１の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｓ１）がキャパシタ２にない場合（ｗ＜Ｗｓ１）に異常と判定することができる。また、制御手段は、通常発電時判定ルーチンにより、電圧計６により測定した「キャパシタ２の両端子２ａ、２ｂ間の電圧値」（ｖ）と、「燃料電池１の発電停止動作に必要な蓄電量（Ｗｓ１）に相当する閾値」（電圧値Ｖｃ１）とを比較するという簡便な方法により、燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｃ１）がキャパシタ２にない場合（ｗ＜Ｗｃ１）に異常と判定することができる。
【００７２】
ここで、「燃料電池の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｓ１）に相当する閾値」（Ｖｓ１）とは、図５に示す燃料電池１の発電起動時のプログラムを完遂するのに必要な蓄電量）に相当する電圧値である。
【００７３】
また、「燃料電池の発電停止動作に必要な蓄電量（Ｗｃ１）に相当する閾値」（Ｖｃ１）とは、図６に示す燃料電池１の発電停止時のプログラムを完遂するのに必要な蓄電量に相当する電圧値である。
【００７４】
なお、これらのＶｓ１及びＶｃ１については、電圧計６の測定誤差や様々な運転状況によるばらつきを考慮して、相当なマージンが加算されている。
【００７５】
以上の構成をした燃料電池システム１００における動作の概要を説明する。この燃料電池システム１００では、燃料電池１の通常発電時において、空気吸入ファン４１と空気マニホールド４２とにより空気が取り入れられて、図３に示すように、空気室１２ｂ内に空気が供給されるとともに、燃料供給手段により水素タンク５０から供給口２１ａを経て、燃料室１２ａ内に水素ガスが供給される。これにより、空気極１１ｃと燃料極１１ｂとの間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。
【００７６】
この間、図１に示すように、配管５６、５９、５４と、水素ポンプ８１と、水素循環電磁弁６９とによって、排気水素ガスが排出口２１ｂから供給口２１ａに再供給されたり、配管５６、５７、５８と、レベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７と、水素起動排気電磁弁６７と、水素停止排気電磁弁６８とによって、排気水素ガス及び生成水が燃料室１２ａの排出口２１ｂから間欠的にダクト９１を経て凝縮器９２に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせるとともに、水が燃料室１２ａ内に過度に滞留することによる性能の低下を抑制することができている。
【００７７】
また、水タンク９７の水が水直噴ポンプ８３により圧送されて、水噴射ノズル９９から空気マニホールド４２内に噴射される。これにより、空気極１１ｃの乾燥が防止されるとともに、燃料電池１が冷却される。さらに、燃料電池１の空気室１２ｂから排出された水を含む空気は、空気排出経路９０からダクト９１を経て凝縮器９２に移送される。そして、凝縮器９２により分離された空気は、配管９４から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ８２により水タンク９７に回収される。なお、ダクト９１を経て凝縮器９２に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク９７に回収される。
【００７８】
また、燃料電池１の発電起動時においては、図５に示すプログラムに従い、まず、水素起動排気電磁弁６７及び水素停止排気電磁弁６８の双方を開通に切り替える。そして、空気吸入ファン４１と空気マニホールド４２とにより空気が取り入れられて、空気室１２ｂ内に空気が供給されるとともに、水素供給電磁弁６３を開通に切り替えることにより水素タンク５０から供給口２１ａを経て、燃料室１２ａ内に水素ガスが供給される。この際、燃料供給圧調整手段５１の水素起動電磁弁６２ｂを開通に切り替えておくことにより、燃料室１２ａ内に高い供給圧の水素ガスを急速に流入させることができる。そして、水素起動電磁弁６２ｂ、水素起動排気電磁弁６７及び水素停止排気電磁弁６８を遮断に切り替えた後、通常発電前チェックを経て、通常発電状態に移行する。このため、この燃料電池システム１００は、発電停止時に燃料室１２ａ内に置換された空気を新たに供給される水素ガスで置換することを急速に実施できる。このため、空気と水素ガスとが燃料室１２ａ内で偏在する状態の発生を顕著に抑制することができる。こうして、この燃料電池システム１００は、発電起動時において、燃料電池１が劣化するという不具合を抑制することができる。また、燃料室１２ａ内の気体の置換にかかる所要時間も短くなり、燃料電池１の発電起動時の所要時間も短縮できる。
【００７９】
さらに、燃料電池１の発電停止時においては、図６に示すプログラムに従い、まず、水素供給電磁弁６３を遮断に切り替えて水素タンク５０から燃料室１２ａ内への水素ガスの供給を停止させる。そして、水素循環電磁弁６９を遮断に切り替え、水素停止排気電磁弁６８を開通に切り替えた後、水素ポンプ８１で吸引することにより、燃料室１２ａ内からダクト９１、凝縮器９２及び配管９４を介して、水素ガスを大気に排出させる。この際、燃料室１２ａ内は減圧状態となる。その後、外気導入電磁弁６５を開通に切り替えて、供給口２１ａに外部の空気を供給し、燃料室１２ａ内を空気で置換する。そして、水素ポンプ８１を停止するとともに、外気導入電磁弁６５と水素停止排気電磁弁６８とを遮断に切り替える。これにより、この燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電停止時に、燃料室１２ａ内の水素ガスと空気室１２ｂ内の空気とが電解質膜１１を挟んで存在するという状態を早期に解消することができるとともに、水素ガスと空気とが燃料室１２ａ内で偏在することなく、燃料室１２ａ内を空気で置換することができる。こうして、この燃料電池システム１００は、発電停止時において、燃料電池１が劣化するという不具合を抑制することができる。
【００８０】
このように動作する燃料電池システム１００において、制御手段は、発電起動時判定ルーチンにおいて、燃料電池１の発電起動動作に必要な蓄電量がキャパシタ２にない場合に異常が発生したと判定し、通常発電時判定ルーチンにおいて、燃料電池１の発電停止動作に必要な蓄電量がキャパシタ２にない場合に異常が発生したと判定する。そして、制御手段は、異常と判定した場合に警報信号を発し、燃料電池１を所定の異常停止動作で停止させる。
【００８１】
つまり、燃料電池１の発電起動時には、図５のプログラムよりも先に、図７に示すプログラムに従って、上述の制御手段の発電起動時判定ルーチンが実施される。例えば、イグニッションキーがＯＮにされる場合や、走行状況により一時的に発電停止状態とされた後、再度発電起動される場合に、コントロールシステム４５に内蔵されたコンピュータにより、図７のプログラムが実行される。
【００８２】
この発電起動時判定ルーチンが実行されると、ステップＳ１０１〜Ｓ１１３において、「キャパシタ２の両端子２ａ、２ｂ間の電圧値」（ｖ）と、「燃料電池１の発電起動動作に必要な蓄電量（Ｗｓ１）に相当する閾値」（Ｖｓ１）とが比較される。なお、このプログラムにおいて、ｍは、ｖとＶｓ１との比較回数であり、ｎは、ｖ＜Ｖｓ１と連続して判定した回数である。このようにするのは、電圧計６のノイズや誤差等を排除するためである。
【００８３】
その結果、ｖとＶｓ１との比較回数ｍが規定回数に達した場合には、発電起動時判定ルーチンは、検知処理を終了し、キャパシタ２は蓄電量不足でないと判定する。そして、図５に示すプログラムにしたがって、燃料電池１の発電起動時の動作が順次実行される。このため、燃料電池１の発電起動時に、キャパシタ２の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態は生じないのである。
【００８４】
他方、ｖ＜Ｖｓ１と連続して判定した回数ｎが異常判定回数に達した場合に、発電起動時判定ルーチンは、ステップＳ１１５において、キャパシタ２が蓄電量不足であると判定する。そして、ステップＳ１１７において、制御手段は、キャパシタ２が蓄電量不足であるとの警報信号を発するのである。その結果、燃料電池システム１００は異常を認知し、ステップＳ１１９に移行して、起動不能表示等の停止動作に必要な処理を実施するのである。このため、たとえ、キャパシタ２が蓄電量不足であっても、燃料電池１の発電起動時に、キャパシタ２の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態を回避できるのである。
【００８５】
また、燃料電池１の通常発電時には、継続的に又は比較的短い間隔で定期的に、図８に示すプログラムに従って、上述の通常発電時判定ルーチンによる判定が実施される。これは、燃料電池１の不具合による異常停止等の不測の事態に常に備えるためである。
【００８６】
この図８のプログラムでは、図７のプログラムに対して、ステップＳ１０３ｂの判定における閾値Ｖｃ１と、ステップＳ１１５ｂ、Ｓ１１９ｂにおける処理内容が異なる。
【００８７】
この通常発電時判定ルーチンが実行されると、ステップＳ１０１〜Ｓ１１３において、「キャパシタ２の両端子２ａ、２ｂ間の電圧値」（ｖ）と、「燃料電池１の発電停止動作に必要な蓄電量（Ｗｃ１）に相当する閾値」（Ｖｃ１）とが比較される。
【００８８】
その結果、ｖとＶｃ１との比較回数ｍが規定回数に達した場合には、通常発電時判定ルーチンは、検知処理を終了し、キャパシタ２が蓄電量不足でないと判定する。その結果、燃料電池システム１００は、そのまま、燃料電池１の通常発電時の動作を継続する。このため、この状況下でなんらかの不具合により燃料電池１が発電停止しなければならなくなった場合でも、燃料電池１の発電停止時に、キャパシタ２の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態は生じないのである。
【００８９】
他方、ｖ＜Ｖｃ１と連続して判定した回数ｎが異常判定回数に達した場合に、通常発電時判定ルーチンは、ステップＳ１１５ｂにおいて、キャパシタ２が蓄電量不足であると判定する。そして、ステップＳ１１７ｂにおいて、制御手段は、キャパシタ２が蓄電量不足であるとの警報信号を発するのである。その結果、燃料電池システム１００は異常を認知し、ステップＳ１１９ｂに移行して、水素供給停止等の停止動作に必要な処理を実施するのである。このため、たとえ、キャパシタ２が蓄電量不足であっても、燃料電池１の発電停止時に、キャパシタ２の貯蔵電力が全て消費されて、蓄電量がなくなってしまう事態を回避できるのである。
【００９０】
このため、この燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電起動時又は発電停止時に、キャパシタ２から発電起動手段又は発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動手段又は発電停止手段を正常に駆動することができないという事態を予防し、その結果として、ひとたび、発電起動動作や発電停止動作に移行した場合には、その処理を完遂することができる。
【００９１】
このため、この燃料電池システム１００は、下記の理由により、燃料電池１の劣化を抑制し、燃料電池の耐久性の低下を抑制できている。
【００９２】
すなわち、燃料電池１の発電起動時において、警報信号が発せられるのであれば、発電起動時にキャパシタ２から発電起動手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動時の動作が途中で止まる事態が生じることを予測できる。このため、このまま、発電起動動作を継続すれば、燃料電池１が発電停止状態であった時に燃料室１２ａに充満し得る空気を水素ガスで置換することができず、燃料室１２ａ内で水素ガスと空気とのが偏在して、燃料電池１の劣化を生じてしまうということが明確になる。このため、燃料電池システム１００は、そのような燃料電池１の劣化を未然に防止するため、燃料電池１の発電起動時の動作を開始直後に中止することが可能になっている。そして、この燃料電池システム１００は、直ちに、停止動作等の適切な処置に移行することもできるのである。
【００９３】
また、燃料電池１の通常発電時において、警報信号が発せられるのであれば、この後、燃料電池１を発電停止する際に、キャパシタ２から発電停止手段への電力供給が途絶えたり、不十分になったりし、発電起動時の動作が途中で止まる事態、例えば、燃料供給手段からの水素ガスの供給を停止できない事態が生じることを予測できる。この場合、水素ガスがその後も供給され続けることとなるため、水素ガスと空気との化学的反応が燃料室１２ａ内で継続して起こって燃料電池１に劣化が生じてしまうということが明確になる。このため、燃料電池システム１００は、そのような燃料電池１の劣化を未然に防止するため、警報が発せられた時点で、直ちに停止動作等の適切な処置に移行することもできるのである。
【００９４】
したがって、実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池１の劣化に基づく燃料電池１の耐久性の低下を生じ難いのである。
【００９５】
特に、燃料電池１の発電起動時に、燃料室１２ａ内の空気を水素ガスの加圧供給により置換する場合において、キャパシタの蓄電量不足により、図５のＳ１５に示す水素起動電磁弁６７を閉じることができなければ、通常発電時より高い供給圧まで燃料室１２ａ内の内圧が上昇し、燃料室１２ａの耐圧が低い場合に損傷を受けるという事態が生じ得るが、この燃料電池システム１００は、そのような事態も、上述の理由により、防止することができている。
【００９６】
さらに、燃料電池１の発電停止時に、燃料室１２ａ内の水素ガスを水素ポンプ８１により吸引して強制的に排出させて減圧状態とした後、外気を導入して置換する場合において、キャパシタの蓄電量不足により、図６のＳ２４に示す水素ポンプ８１の運転ができなければ、燃料室１２ａ内の水素ガスを空気で置換することを充分に実施できず、燃料電池１が劣化するという事態が生じ得るが、この燃料電池システム１００は、そのような事態も、上述の理由により、防止することができている。
【００９７】
このため、実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池１の劣化に基づく燃料電池１の耐久性の低下をさらに生じ難いのである。
【００９８】
また、この燃料電池システム１００において、制御手段は、警報信号を発した時、燃料電池１を直ちに所定の異常停止動作に移行させ、燃料電池１を確実に発電停止状態にすることができているので、燃料電池システム１００の安全性を一層高めることができるのである。
【００９９】
以上において、本発明を実施例１に即して説明したが、本発明は上記実施例１に制限されるものではなく、例えば、蓄電手段として、鉛二次電池、リチウムイオン二次電池、又はニッケル水素二次電池等を用いるなど、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】実施例１の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図２】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の積層体の模式断面図である。
【図４】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池システムの電気回路の概略構成図である。
【図５】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の発電起動時における処理プログラムのフローチャートである。
【図６】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の発電停止時における処理プログラムのフローチャートである。
【図７】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の制御手段における発電起動時判定ルーチンのフローチャートである。
【図８】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の制御手段における通常発電時判定ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０２】
１…燃料電池
２…蓄電手段（キャパシタ）
７…外部負荷装置
１１ａ…固体高分子膜（電解質膜）
１１ｂ…燃料極
１１ｃ…空気極
１２ａ…燃料室
１２ｂ…空気室
５１、５３、５４、６３、７３、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂ、５３、５４、５６、５７、５６、５７、６７、８７、８７ａ、５６、５８、５６、５８、６８、８１、５４、５６、５９、５４、５６、５９、６９、８１、５４、５５、５９…発電起動手段（燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段）
５１、５３、５４、６３、７３、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂ、５３、５４、５６、５７、５６、５７、６７、８７、８７ａ、５６、５８、５６、５８、６８、８１、５４、５６、５９、５４、５６、５９、６９、８１、５４、５５、５９、５４、５５、５９、５４、５５、５９、５５ｂ、６５…発電停止手段（燃料供給手段、燃料排出手段、燃料循環手段、外気置換手段、副燃料排出手段及び燃料供給圧調整手段）
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂ、５３、５４…供給路
５１、５３、５４、６３、７３…燃料供給手段（５１…燃料供給圧調整手段、５３、５４…配管、６３…水素供給電磁弁、７３…３次圧力センサ）
５６、５７…排出路
５６、５７、６７、８７、８７ａ……燃料排出手段（６７…水素起動排気電磁弁、８７…ドレインタンク、８７ａ…レベルゲージ）
５６、５８…副排出路
５６、５８、６８、８１…副燃料排出手段（６８…水素停止排気電磁弁、８１…水素ポンプ）
５４、５６、５９…循環路
５４、５６、５９、６９、８１…燃料循環手段（６９…水素循環電磁弁、８１…水素ポンプ）
５４、５５、５９…外気路
５４、５５、５９、５５ｂ、６５…外気置換手段（５５ｂ…フィルタ、６５…外気導入電磁弁）
１００…燃料電池システム
Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０９、Ｓ１１１、Ｓ１１３、Ｓ１１５、Ｓ１１７、Ｓ１１９、Ｓ１０３ｂ、Ｓ１０５ｂ、Ｓ１１７ｂ、Ｓ１１９ｂ…制御手段（Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０９、Ｓ１１１、Ｓ１１３、Ｓ１１５、Ｓ１１７、Ｓ１１９…発電起動時判定ルーチン、Ｓ１０１、Ｓ１０３ｂ、Ｓ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０９、Ｓ１１１、Ｓ１１３、Ｓ１１５ｂ、Ｓ１１７ｂ、Ｓ１１９ｂ…通常発電時判定ルーチン）
【図１】
2006210087.tif 000003
【図２】
2006210087.tif 000004
【図３】
2006210087.tif 000005
【図４】
2006210087.tif 000006
【図５】
2006210087.tif 000007
【図６】
2006210087.tif 000008
【図７】
2006210087.tif 000009
【図８】
2006210087.tif 000010