(57)【要約】【課題】  ガス供給遅れによる燃料電池の劣化を抑制すること。【解決手段】  燃料電池２０に水素を供給する燃料供給路７４に水素調圧弁Ｈ９が設けられている燃料電池システムにおいて、水素調圧弁Ｈ９の下流圧を測定する圧力センサＰ９の出力に基づいて、水素調圧弁Ｈ９の調圧遅れを判定する判定部５ｂを備える。制御部５ａは、判定部５ｂにより調圧遅れが発生したと判定された場合に、燃料電池２０の出力目標値の上限値を制限する。【選択図】  図４
2006310103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給を受けて電力を出力する燃料電池と、該燃料電池に接続されたガス流路と、該ガス流路に設けられた弁装置と、前記燃料電池の出力目標値を設定する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記弁装置よりも前記燃料電池側のガス圧に基づいて、前記出力目標値を制限する燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス圧を測定する圧力センサと、該圧力センサの出力に基づいて前記燃料電池へのガス供給遅れを判定する判定部と、を備え、
前記制御装置は、前記判定部によってガス供給遅れが判定された場合に、前記燃料電池の出力目標値を制限する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記弁装置は、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系に設けられた遮断弁または調圧弁である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池に接続されたガス流路に弁装置を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記弁装置よりも前記燃料電池側のガス圧に基づいて、前記燃料電池の最大出力を制限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、燃料電池に接続されたガス流路に弁装置を備えた燃料電池システムとその運転方法に関し、特に、燃料電池へのガス供給遅れの抑制に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）の両側にアノード極とカソード極とを備え、アノード極側に例えば水素ガス等の燃料ガスを供給する一方で、カソード極側に例えば空気等の酸化ガスを供給し、これら水素ガスと酸化ガスとの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池を備えた燃料電池システムの開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池システムのオフガス排出系では、上記酸化還元反応に伴い生成された生成水によって配管内に水詰まりが生じる場合がある。この水詰まりによるガス供給不足の状態でガス供給量に見合わない過量の発電が行われると、電解質膜ひいては燃料電池の劣化を招いてしまう。例えば特許文献１には、配管圧力に基づきカソードオフガスの配管に生成水が詰まっていることを検出した場合に、燃料電池の出力目標値の上限値を制限する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１７２０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいても、燃料ガス供給路に設けられたバルブの開弁遅れ（不良）やレギュレータの調圧遅れ等の理由により、燃料電池への燃料ガス供給が遅れた状態で発電が行われると、燃料ガス供給量に見合わない過量な発電が行われてしまい、燃料電池の劣化を招くおそれがある。かかる燃料電池の劣化は、酸化ガス供給が遅れた場合にも起こり得る。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、ガス供給遅れによる燃料電池の劣化を抑制することができる燃料電池システムとその運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて電力を出力する燃料電池と、該燃料電池に接続されたガス流路と、該ガス流路に設けられた弁装置と、前記燃料電池の出力目標値を設定する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記弁装置よりも前記燃料電池側のガス圧に基づいて、前記出力目標値を制限する。
【０００７】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池に接続されたガス流路に弁装置を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記弁装置よりも前記燃料電池側のガス圧に基づいて、前記燃料電池の最大出力を制限する。
【０００８】
以上の構成によれば、燃料電池へのガス供給が出力要求に対応する本来のガス供給状態よりも遅れた状態で発電が行われても、当該出力要求に基づき設定される燃料電池の出力目標値が制限される、言い換えれば、燃料電池の最大出力が制限されるので、ガス供給が不足した状態での発電が抑制される。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいては、前記ガス圧を測定する圧力センサと、該圧力センサの出力に基づいて前記燃料電池へのガス供給遅れを判定する判定部と、を備え、前記制御装置は、前記判定部によってガス供給遅れが判定された場合に、前記燃料電池の出力目標値を制限してもよい。
【００１０】
このような構成において、判定部は、弁装置よりも燃料電池側におけるガス圧が所定範囲からはずれている場合に、ガス供給遅れが生じていると判定することができる。また、ガス圧の経時変化によって、ガス供給遅れを判定してもよいし、ガス圧の測定値と所定の基準値との比較により、ガス供給遅れを判定してもよい。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、前記弁装置は、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系に設けられた遮断弁または調圧弁でもよい。
【００１２】
このような構成によれば、燃料ガス供給系に設けられた遮断弁の開弁遅れ（不良）や調圧弁の調圧遅れ等による燃料ガス供給不足状態での発電を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池へのガス供給遅れが発生した場合であっても、燃料電池の出力目標値を制限することで、ガス供給不足状態での発電を抑制し、ひいては燃料電池の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１５】
図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。モータは、後述の制御ユニット（制御装置）５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられる。
【００１６】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
【００１７】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御ユニット５０に送られる。制御ユニット５０は、コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気量を設定する。
【００１８】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１９】
燃料供給路（ガス流路）７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁（弁装置）Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００２０】
水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニア（あるいは連続的）に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御ユニット５０に供給される。
【００２１】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２２】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御ユニット５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御ユニット５０によって動作が制御される。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御ユニット５０からの信号で駆動される。
【００２３】
水素循環路７５は、排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続される。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御ユニット５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００２４】
更に、燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられる。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２５】
燃料電池２０は、燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が出力した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２６】
制御ユニット５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求出力や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。制御ユニット５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００２７】
図２は、制御ユニット５０の一構成例を示すブロック図である。制御ユニット５０は、制御部５０ａと判定部５０ｂとを備える。制御部５０ａは、上記アクセル信号等の外部からの要求出力に基づいて燃料電池２０の出力目標値を設定し、前記燃料電池２０の出力を制御する。一方、判定部５０ｂは、水素調圧弁Ｈ９の調圧遅れ等による水素供給遅れを、例えば圧力センサＰ９にて測定される水素調圧弁Ｈ９の下流圧（弁装置よりも燃料電池側のガス圧）に基づいて判定する。
【００２８】
制御部５０ａは、設定した出力目標値に対応する目標供給空気量及び目標供給空気圧を算出し、圧力センサＰ１，Ｐ４の検出出力に基づいて圧力調整弁Ａ４及びコンプレッサＡ３を制御することにより、供給空気量及び供給空気圧を調節する。同様に、制御部５０ａは、設定した出力目標値に対応する目標供給水素量及び目標供給水素圧を算出し、圧力センサＰ５、Ｐ６、Ｐ９の検出出力に基づいて遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ１００、及び水素調圧弁Ｈ９を制御することにより、供給水素量及び供給水素圧を調節する。
【００２９】
また、制御部５０aは、判定部５０ｂにより水素供給遅れが発生したと判定された場合に、燃料電池２０の出力目標値の上限値を制限する。上限値を制限する方法として、例えば、上記外部からの要求出力に基づき設定される燃料電池２０の出力目標値に１未満の所定の係数を掛けて該出力目標値を制限する、または、上記外部からの要求出力に基づき設定される燃料電池２０の出力目標値から所定値を減じて該出力目標値を制限する、または、上記外部からの要求出力に基づき設定される燃料電池２０の出力目標値が所定値を超えるときは該所定値に維持する等の態様がある。
【００３０】
制御ユニット５０による上記出力目標値の制限制御について、図３の制御フローを用いて説明する。本制御は、制御ユニット５０のＣＰＵが実行する処理である。まず、圧力センサＰ９の検出信号を読み込み（ステップＳ１００）、水素供給遅れが生じているか否かを判断する（ステップＳ２００）。
【００３１】
水素供給遅れは、遮断弁Ｈ１００の開弁遅れ（不良）や調圧弁Ｈ９の調圧遅れにより発生する。本実施形態では、判定部５０ｂが圧力センサＰ９の測定値に基づいて、水素供給遅れの有無を判断する。圧力センサＰ９の測定値が正常範囲から外れている場合に、水素供給遅れが生じていると判断される。水素供給遅れが生じていないと判断した場合は、通常通りの運転制御（通常制御）を行う（ステップＳ３００）。
【００３２】
通常制御は、要求出力に応じた出力目標値を設定し、上記のように制御部５０ａが空気及び水素の供給量及び供給圧を制御して発電を行う制御である。ステップＳ２００において、水素供給遅れが発生していると判断した場合は、異常時の運転制御（異常時制御）を行う（ステップＳ４００）。異常時制御は、以下のように制御部５０ａが出力目標値を制限する処理である。
【００３３】
図４は、異常時制御の流れを示すフローチャートである。まず、所定時間（本実施形態では、１０秒間）通常制御を行い（ステップＳ４１０）、次いで、判定部５０ｂが圧力センサＰ９の検出信号を読み込み、水素供給遅れが生じているか否かを判断する（ステップＳ４２０）。ステップＳ４１０で所定時間通常制御を行うのは、図３に示したステップＳ２００において、一旦、水素供給遅れが生じていると判断されても、所定時間通常制御を行う間に、水素供給遅れが解消される場合があるからである。
【００３４】
なお、ステップＳ４１０で通常制御を実施する時間は、燃料電池システムごとに、好ましい値を任意に設定すればよい。また、ステップＳ４１０，Ｓ４２０の各処理を行わなくてもよい。
【００３５】
水素供給遅れが解消されれば（ステップＳ４２０：「Ｎ」）、ステップＳ４３０以降の処理をスキップして、異常時制御を終了する。水素供給遅れが解消されない場合（ステップＳ４２０：「Ｙ」）は、要求出力に基づいて設定された燃料電池２０の出力目標値の上限値を例えば一律９０％に制限し（ステップＳ４３０）、これを所定時間（本実施形態では、１０秒間）継続する（ステップＳ４４０）。
【００３６】
次に、再度、圧力センサＰ９の検出信号を読み込み、水素供給遅れが生じているか否かを判断する（ステップＳ４５０）。水素供給遅れが解消されれば（ステップＳ４５０：「Ｎ」）、ステップＳ４６０の処理をスキップして、異常時制御を終了する。解消されなければ（ステップＳ４５０：「Ｙ」）、システムダウンする（ステップＳ４６０）。
【００３７】
以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池２０への水素供給遅れが発生した場合であっても、燃料電池２０の出力目標値の上限値を制限することで、水素供給不足状態での運転（発電）の抑制が可能になる結果、燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態では、異常時制御の際に、水素供給遅れの度合いに関わらず、燃料電池２０の出力目標値を一律通常制御時の９０％に制限したが、出力目標値の上限制御としてはこれに限られない。例えば、調圧弁Ｈ９の下流圧に応じて制限率を変化させるようにしてもよい。かかる場合において水素供給遅れが著しい場合には、制限率を大きくするといった制限を行う。
【００３９】
また、異常時制御の際には、通常制御時の出力目標値とは無関係に上限値を設定するものとしてもよい。また、出力目標値を要求出力に関わらず固定値にしてもよい。例えば、要求出力が最大出力の８０％までは、通常制御時と同様に出力目標値を設定し、要求出力が８０％以上のときに、目標出力値を８０％に制限するものとする。
【００４０】
また、判定部５０ｂは、圧力センサＰ９の出力に基づいて水素供給遅れの有無を判定しているが、これに替えて、またはこれと併用して、遮断弁Ｈ１００の下流に設けられた圧力センサＰ６または遮断弁Ｈ２１の下流に設けられた圧力センサＰ５の出力を用いて判定してもよい。
【００４１】
また、これら水素供給遅れの有無を判定することに替えて、または該水素供給遅れの判定と併用して、例えば圧力調整弁Ａ４の上流に設けられた圧力センサＰ１の出力を用いて空気供給遅れの有無を判定し、その判定結果を燃料電池２０の出力目標値の制限制御に反映させてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、本発明に係る弁装置を燃料ガス供給系における燃料電池２０の上流側（燃料供給路７４）に配置したが、燃料電池２０の下流側、たとえば燃料ガス循環系（水素循環路７５）あるいは燃料ガス排出系（パージ流路７６）に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】同燃料電池システムの制御ユニットを示したブロック図である。
【図３】同制御ユニットによる制御フローを示した図である。
【図４】同制御フローにおける異常時制御について示した図である。
【符号の説明】
【００４４】
２０…燃料電池、３０…水素ガス供給源、５０…制御ユニット（制御装置）、５０ａ…制御部、５０ｂ…判定部、７１…空気供給路、７４…燃料供給路（ガス流路）、Ａ４…圧力調整弁、Ｈ９…水素調圧弁（弁装置）、Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ１００…遮断弁、Ｐ１〜Ｐ９…圧力センサ
【図１】
2006310103.tif 000003
【図２】
2006310103.tif 000004
【図３】
2006310103.tif 000005
【図４】
2006310103.tif 000006