(57)【要約】【課題】  アノードオフガス処理機能が失陥しても運転継続可能な燃料電池システムの制御装置を提供する。【解決手段】  アノードオフガス希釈装置１０は、パージ弁９から排出されるアノードオフガスを希釈空気導入ファン１１から導入される空気で所定濃度未満に希釈して系外へ排出する。希釈空気導入ファン１１の故障をコントローラ１９が検出した場合、パージ弁９を閉じきりとして、燃料電池２から取り出す電流を制限して、燃料電池２の運転を継続する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給された水素とカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
該燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
該燃料電池のアノード出口から排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させるアノードオフガス循環手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
所望の出力電流に応じて前記水素供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段からのガス供給量を調節する反応ガス供給量調整手段と、
前記アノードオフガスを前記循環の経路外へ排出するアノードオフガス排出手段と、
該アノードオフガス排出手段が排出したアノードオフガス中の水素濃度を低下させる水素濃度低下手段と、
前記燃料電池の出力電流を制限する出力制限手段と、
前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知する故障検知手段とを備えた燃料電池システムの制御装置であって、
前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記アノードオフガス排出手段からのアノードオフガス排出を制限するとともに、前記出力制限手段によって燃料電池の出力電流を制限す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】
燃料電池システムが搭載された車両の速度を検出する車両速度検出手段と、検出された車両速度に応じて前記アノードオフガス排出手段が排出する排出量を決定する排出量決定手段とを備え、
前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記排出量決定手段の結果に基づいて、前記アノードオフガス排出手段からの排出量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記アノードオフガス循環手段による循環量を通常時より増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記水素供給手段が供給する水素圧力を通常時より高めることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出するアノードオフガス中の水素濃度を低下させる水素濃度低下手段の故障または性能低下時にも運転継続可能な燃料電池システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質は、湿潤状態でなければ良好な陽イオン伝導性を発揮しないものが多いために、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガス（以下、両者を併せて反応ガスと呼ぶ）は加湿されている。また、発電効率を高めるために燃料電池の出力電流から要求される反応ガスの質量流量より多くのガスを供給し、余剰の水素ガスは、水素循環経路によりアノード（水素極）入口へ循環させている。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、カソード（空気極）からアノードへ電解質膜をリークした空気中の不活性ガス（窒素、アルゴン等）は、アノード循環経路内に蓄積して水素分圧を低下させ、発電効率を低下させる。また、化学工業の副生水素ガスを燃料電池の燃料ガスとして利用する場合には、燃料ガス中の不純物が同様にアノード循環経路内に蓄積する。さらに、発電の電気化学反応により生じる生成水が液水となってガス通路に蓄積し、ガス流通やガス拡散を妨げ、発電効率の低下や発電停止に至ることがある。このような不純物ガスや液水をガス通路内から一掃するために、アノードから排出されるアノーオフガスを循環経路外へ放出するパージ弁が設けられている。
【０００５】
通常、パージ弁の下流には、排水素処理装置として、希釈装置や触媒燃焼装置が設けられる。希釈装置は、空気によりパージガス中の水素濃度を制限濃度未満に希釈して系外へ放出する。触媒燃焼装置は、白金触媒等によりパージガス中の水素を燃焼させて水蒸気として系外へ放出する（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報（第７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術にあっては、排水素処理装置の故障または性能低下した場合については考慮されておらず、排出ガス中の水素濃度が制限値を超える可能性があり、排水素処理装置の故障または性能低下しただけで燃料電池の運転を停止せざるを得ないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された水素とカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、該燃料電池のアノード出口から排出されるアノードオフガスをアノード入口に循環させるアノードオフガス循環手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、所望の出力電流に応じて前記水素供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段からのガス供給量を調節する反応ガス供給量調整手段と、前記アノードオフガスを前記循環の経路外へ排出するアノードオフガス排出手段と、該アノードオフガス排出手段が排出したアノードオフガス中の水素濃度を低下させる水素濃度低下手段と、前記燃料電池の出力電流を制限する出力制限手段と、前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知する故障検知手段とを備えた燃料電池システムの制御装置であって、前記故障検知手段が前記水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、前記アノードオフガス排出手段からのアノードオフガス排出を制限するとともに、前記出力制限手段によって燃料電池の出力電流を制限することを要旨とする。
【０００８】
本発明は、故障検知手段が水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合には、アノードオフガスの排出を停止ないしは放出量を制限することにより、規定濃度以上の水素ガスが放出されることを防止するとともに、燃料電池の出力電流を制限して燃料電池に劣化を与えることなく、発電を継続するものである。
【０００９】
水素濃度低下手段は、アノードオフガスを燃焼触媒により燃焼させて水素濃度を低下させてもよいし、空気によりアノードオフガスを希釈して水素濃度を低下させてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、故障検知手段が水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合、アノードオフガスの排出を停止または排出量を制限するアノードオフガス排出の制限を行い、その状態で運転可能な出力まで燃料電池の出力電流を制限する構成となっているので、所定濃度以上の水素ガスを排出することなく、燃料電池の発電を継続することができる。燃料電池を電源とする車両であれば、水素濃度低下手段に故障が生じても、速度が制限されるが自走にて車庫やサービス工場等へ移動する（リンプホーム(limp home )走行と呼ばれる）ことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例１を備えた車両用の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【００１３】
図１において、燃料電池システム１は、アノード（燃料極、水素極）２ａ及びカソード（酸化剤極、空気極）２ｂを備えた固体高分子型の燃料電池２、酸化剤として空気をカソード２ｂ供給する空気コンプレッサ３、カソード２ｂの空気圧力を制御する空気圧力制御弁４、燃料としての水素ガスを貯蔵する水素タンク５、水素タンク５からアノード２ａに供給する水素圧力及び流量を制御する水素圧力制御弁６、アノード２ａの出口から排出される未反応水素ガスを含むアノードオフガスをアノード２ａの入口へ水素循環路８を介して圧送する水素循環ポンプ７、水素循環路８からアノードオフガスを系外へ排出させるパージ弁９、パージ弁９から排出されたガス中の水素濃度を低下させるアノードオフガス希釈装置１０、アノードオフガス希釈装置１０へ希釈用の空気を導入する希釈空気導入ファン１１、冷却水経路１２、熱交換器１３、冷却水ポンプ１４、圧力センサ１５、１６、温度センサ１７、１８、及びコントローラ１９を備えて構成されている。
【００１４】
コントローラ１９には、カソード２ｂの入口圧力を検出する圧力センサ１５，アノード２ａの入口圧力を検出する圧力センサ１６、燃料電池２の冷却水入口の温度を検出する温度センサ１８、燃料電池２の冷却水出口の温度を検出する温度センサ１７が入力装置として接続されている。またコントローラ１９には、空気コンプレッサ３、空気圧力制御弁４、水素圧力制御弁６、水素循環ポンプ７、パージ弁９、希釈空気導入ファン１１、冷却水循環ポンプ１４が出力装置として接続されている。
【００１５】
コントローラ１９は、圧力センサ１５で検出された圧力値に基づいて、空気圧力制御弁４の開度を制御して、カソード２ｂの圧力を負荷に応じた圧力に制御する。またコントローラ１９は、圧力センサ１６で検出された圧力値に基づいて、水素圧力制御弁６を制御して、アノード２ａの圧力を負荷に応じた圧力に制御する。
【００１６】
パージ弁９は、燃料電池２のアノードの排気用配管上に設けられ、通常閉じられている。コントローラ１９は、燃料電池２の起動からの発電電力量または発電時間が一定値に達した時、或いは、燃料電池２のセル電圧低下等の検知により燃料電池２の内部に水詰まりが生じたと判断したとき、パージ弁９を開放して、水素とともに水分および窒素等の不純物を排出する。
【００１７】
また、パージ弁９の上流には、アノードオフガスをアノード２ａの入口へ循環させる水素循環路８の一端部が接続され、その他端部は、水素循環ポンプ７を経て水素圧力制御弁６の下流に接続されている。アノード２ａの出口から排出されたアノードオフガスは、水素循環ポンプ７及び水素循環路８で構成されるアノードオフガス循環手段によりアノード２ａの入口へ循環される。
【００１８】
冷却水経路１２は、燃料電池２本体を冷却する冷却水が流れる流路であり、冷却水経路１２には、熱交換器１３が備えられているとともに、冷却水を流すための冷却水ポンプ１４が備えられている。温度センサ１７は、燃料電池２の冷却水出口の温度を検出し、この温度検出値は、冷却制御とともに、燃料電池の温度としても利用される。
【００１９】
アノードオフガス希釈装置１０は、希釈空気導入ファン１１より導入された空気と、パージ弁９より排出されたアノードオフガスとを混合し、水素濃度を規定濃度未満に低下させて外部へ放出する。
【００２０】
以下、実施例１における動作を図２の制御フローチャートを参照して説明する。
【００２１】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、アノードオフガス希釈装置１０が故障したかどうかが判定される。たとえば図１のシステムにおいては、希釈空気導入ファン１１の実回転数が指示回転数に対して所定値以上下回った場合に故障と判断するなどの手法が考えられる。
【００２２】
尚、水素濃度低下手段として触媒燃焼器を用いた場合、例えば、触媒燃焼器に設けた温度センサにより温度異常を検出したときに、触媒燃焼器の故障と判断することができる。
【００２３】
Ｓ１０でアノードオフガス希釈装置１０が故障したと判定されると、Ｓ１２に進み、パージ弁を閉じきりにする。
【００２４】
そしてＳ１４に進み、燃料電池取り出し電流の上限値を、図４の制限電流Ｉb とする。制限電流Ｉb は、パージ弁を閉じきりとした場合の燃料電池の電流電圧特性が下限電圧となる電流値とする。
【００２５】
一方、Ｓ１０でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されない（正常時）場合、Ｓ１６に進み、パージ弁９は通常制御される。たとえば図３のように燃料電池温度の上昇に伴い、膜電極接合体（ＭＥＡ）の窒素ガス透過性が高まるので、単位時間当たりのパージ弁９の開時間は長くしてもよい。そしてＳ１８に進み、燃料電池取り出し電流の上限値を、図４の最大電流Ｉa とする。
【００２６】
図３は、燃料電池温度に対する単位時間あたりのパージ弁開時間の一例を示したものであり、アノードオフガス希釈装置が正常な時は、燃料電池温度に対して比例的にパージ弁開時間を増加させる。
【００２７】
図４は、パージ弁閉じきり時と正常時における、燃料電池の電流−電圧特性である。パージ弁閉じきり時において、一般的にリンプホーム走行に必要な時間（たとえば２時間）経過後の電流−電圧特性を特性Ｂで示す。この特性において、下限電圧を下回らない点を制限電流Ｉb とし、パージ弁閉じ切り時の燃料電池取り出し電流の上限電流とする。一方、パージ弁を正常に開閉できる時における電流−電圧特性を特性Ａで示す。
【００２８】
以上説明した本実施例によれば、故障検知手段が水素濃度低下手段の故障または性能低下を検知した場合、アノードオフガスの排出を停止または排出量を制限するアノードオフガス排出の制限を行い、その状態で運転可能な出力まで燃料電池の出力電流を制限する構成となっているので、所定濃度以上の水素ガスを排出することなく、燃料電池の発電を継続することができるという効果がある。特に燃料電池を電源とする車両であれば、水素濃度低下手段に故障が生じても、速度が制限されるが自走にて車庫やサービス工場等へ移動するリンプホーム走行ができるという効果がある。
【実施例２】
【００２９】
以下、実施例２の動作を図５の制御フローチャートを参照して説明する。実施例２の燃料電池システムの概略構成は、図１に示した実施例１と同様であるが、図示しない車両速度検出手段が設けられ、その検出信号がコントローラ１９に接続されている。
【００３０】
水素濃度低下手段が故障した際に、実施例１では、パージ弁を閉じきりとしたが、本実施例では、車両の走行風をアノードオフガス希釈に利用し、車両速度に応じてパージ弁の開閉制御を行う点に特徴がある。
【００３１】
図５において、まず、Ｓ２０ではアノードオフガス希釈装置が故障したかどうかが判定される。たとえば図１のシステムにおいては、希釈空気導入ファン１１の実回転数が指示回転数に対して所定値以上下回った場合に故障と判断するなどの手法が考えられる。
【００３２】
Ｓ２０でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されると、Ｓ２２に進み、図６のように車両速度に応じてパージ弁９の開時間（割合）を制御する。
【００３３】
次いで、Ｓ２４に進み、パージ弁の開時間をもとに、現時点から所定時間前までのパージ弁の開時間の割合を演算する。Ｓ２６では、Ｓ２４で演算された現時点から所定時間前までのパージ弁の開時間の割合に応じて、燃料電池２からの取り出し電流の上限である制限電流Ｉb を演算する。
【００３４】
一方、Ｓ２０でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されない（正常）と、Ｓ２８に進み、パージ弁は通常制御される。たとえば図３のように燃料電池温度の上昇に伴い、単位時間当たりのパージ弁開時間を長くしてもよい。次いでＳ３０に進み、燃料電池取り出し電流の上限値を、図７の最大電流Ｉa とする。
【００３５】
図６は車両速度に対する単位時間あたりのパージ弁開時間の一例を示したものである。車両速度が第１速度までは、走行風が弱くアノードオフガスの希釈効果が低いので、パージ弁開時間は０（閉じきり）とする。車両速度が第１速度を超えると、車両速度の第１速度超過分に比例したパージ弁開時間とし、より多くのアノードオフガスを排出可能とする。更に車両速度が上昇して第２速度に達すると、十分なパージが行えるので、それ以上車両速度が上がってもパージ弁開時間を一定時間とする。第１速度、第２速度は、車両及び燃料電池システムの構造によって異なる値となるが、数値シミュレーションや空洞実験、実走行実験等により求めることができる。
【００３６】
図７はパージ弁閉じきり時と正常時における、燃料電池の電流−電圧特性である。アノードオフガス希釈装置が正常時における電流−電圧特性を特性Ａで示す。パージ弁閉じきり状態で、一般的なリンプホーム走行に必要な時間（たとえば２時間）経過後の電流−電圧特性を特性Ｂで示す。
【００３７】
この特性Ｂにおいて、下限電圧の点を制限電流Ｉb2とする。一般的なリンプホーム走行に必要な時間（たとえば２時間）パージ弁が閉じきった場合の制限電流Ｉb2を基点として、そこから車両速度によるパージ弁の開時間割合（ここでは現時点から２時間前までのパージ弁開時間割合）が増えるに従って、制限電流をＩb1（＝Ｉa ）まで増加させるような制限電流Ｉb （Ｉb2≦Ｉb ≦Ｉb1 ）の演算を行い、この演算結果をＳ２６における燃料電池からの取り出し電流の上限値とする。
【００３８】
以上説明した本実施例によれば、車両に吹き込む走行風によってアノードオフガスを希釈できることを利用し、車速の増加に応じてアノードオフガスの排出量を増やす構成となっているので、アノード流路内の不活性ガス濃度を下げることができ、実施例１より高い出力で運転を継続することができるという効果がある。
【実施例３】
【００３９】
以下、実施例３を図８の制御フローチャートを参照して説明する。実施例３の燃料電池システムの概略構成は、図１に示した実施例１と同様であるが、実施例２と同様に、図示しない車両速度検出手段が設けられ、その検出信号がコントローラ１９に接続されている。本実施例の特徴は、アノードオフガス希釈装置の故障時に、水素循環ポンプによるアノードオフガス循環量を通常時より増加させる点にある。
【００４０】
図８におけるＳ４０〜Ｓ４６、Ｓ５０及びＳ５２は、それぞれ図５に示した実施例２のＳ２０〜Ｓ２６、Ｓ２８及びＳ３０と同じなので説明を省略する。本実施例では、Ｓ４８とＳ５４が追加された処理ステップである。
【００４１】
図８のＳ４８は、図１における水素循環ポンプ７を最大回転に制御する。一方、Ｓ５４では、上記循環ポンプ回転数は、通常制御、言い換えれば、発電に必要なストイキ比（水素過剰率）を確保できる回転数とする。
【００４２】
図９はパージ弁閉じきり時での水素循環ポンプ回転数最大時におけるアノード流路内水素濃度分布と、パージ弁閉じきり時での水素循環ポンプ回転数通常制御時（パージ弁が通常制御されている時の同様の水素循環ポンプ回転数制御）におけるアノード流路内水素濃度分布である。アノードオフガス希釈装置の故障時には、一定の発電電力量毎或いは定期的なパージを行うことができないので、アノード流路内の窒素濃度が増加しやすくなる。
【００４３】
ここで、水素循環ポンプ回転数を通常制御としておくと、窒素濃度増加に伴うガス重量増加により、十分なアノードオフガスの循環が行えず、結果として図９に示すようにアノード流路内の水素濃度分布のばらつきが大きくなる。このため、パージのタイミングによっては水素濃度の高いアノードオフガスが排出される可能性があるので、アノードオフガスの排出量を少な目に制御する必要がある。
【００４４】
しかし、水素循環ポンプの回転数を最大とすることで、アノード流路内の水素濃度分布のばらつきを小さくなり、アノードオフガスの排出に際して、希釈の余裕を少なくすることができるので、より多くのアノードオフガスを排出し、アノード循環経路中の不純物を効果的に排出することができる。尚、水素循環ポンプの回転数を最大とせずに、単に通常時より回転数を高めるだけでも相応の効果がある。
【００４５】
本実施例によれば、車両に吹き込む走行風によってアノードオフガスを希釈できることを利用し、車速の増加に応じてアノードオフガスの排出量を増やすほか、アノードオフガスを循環させる水素循環ポンプなどの循環装置をより循環比が高くなる方向に操作する構成となっているので、アノード流路内の不活性ガス濃度分布を均一化することができる。その結果、アノードオフガスの排出に際して、希釈の余裕を少なくすることができるので、より多くのアノードオフガスを排出し、アノード及び水素循環路中の不活性ガス濃度を下げることができる。
【実施例４】
【００４６】
以下、実施例４を図１０の制御フローチャートを参照して説明する。実施例４の燃料電池システムの概略構成は、図１に示した実施例１と同様であるが、実施例２と同様に、図示しない車両速度検出手段が設けられ、その検出信号がコントローラ１９に接続されている。本実施例の特徴は、アノードオフガス希釈装置の故障時に、水素供給手段から燃料電池２のアノード２ａに供給する水素圧力を通常時より高める点にある。
【００４７】
図１０において、まず、Ｓ６０ではアノードオフガス希釈装置が故障したかどうかが判定される。たとえば図１のシステムにおいては、希釈空気導入ファン１１の実回転数が指示回転数に対して所定値以上下回った場合に故障と判断するなどの手法が考えられる。
【００４８】
Ｓ６０でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されると、Ｓ６２に進み、図１１のように、燃料電池の取り出し電流によらずアノード２ａのガス圧力が最大値となるように水素圧力制御弁６を制御する。尚、アノード２ａのガス圧力を最大値とせず、単に通常時より高めるだけでも同じパージ時間中により多くの不純物を排出することができる。Ｓ６２の次のステップのＳ６４からＳ６８までは、実施例２のＳ２２〜Ｓ２６と同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
一方、Ｓ６０でアノードオフガス希釈装置が故障したと判定されない（正常）場合、Ｓ７０に進み、アノード２ａの圧力は燃料電池の取り出し電流に応じた通常の制御が行われる。Ｓ７０の次のステップのＳ７２以降は、実施例２のＳ２８以降と同様なので説明を省略する。
【００５０】
本実施例によれば、アノードオフガス希釈装置が故障した時に、アノード圧力を高めた結果、圧力を高めなかった時に比べ、同じパージ弁開時間でもより多くのアノードオフガスを排出することができ、パージ弁を閉じている間にアノードガス循環経路内に蓄積した不純物を効率よく排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の制御装置が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】実施例１の動作を説明する制御フローチャートである。
【図３】アノードオフガス希釈装置の正常時におけるパージ弁開時間の特性例を示す図である。
【図４】実施例１における燃料電池の出力電流制限の例を示す燃料電池電流電圧特性図である。
【図５】実施例２の動作を説明する制御フローチャートである。
【図６】実施例２の車両速度に対するパージ弁開時間の特性例を示す図である。
【図７】実施例２における燃料電池の出力電流制限の例を示す燃料電池電流電圧特性図である。
【図８】実施例３の動作を説明する制御フローチャートである。
【図９】実施例３における水素循環ポンプ回転数に対するアノード流路内水素濃度の出現頻度分布を説明する図である。
【図１０】実施例４の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１１】実施例４における目標出力電流に対する目標アノードガス圧力の制御マップの例である。
【符号の説明】
【００５２】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
２ａ：アノード
２ｂ：カソード
３：空気コンプレッサ
４：空気圧力制御弁
５：水素タンク
６：水素圧力制御弁
７：水素循環ポンプ
８：水素循環路
９：パージ弁
１０：アノードオフガス希釈装置
１１：希釈空気導入ファン
１２：冷却水経路
１３：熱交換器
１４：冷却水ポンプ
１５，１６：圧力センサ
１７，１８：温度センサ
１９：コントローラ
【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】
2006196402.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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