(57)【要約】      （修正有）【課題】生成水の詰まりによって、ガスの供給量が不十分な状態で、発電を行わせた場合に生じる電解質膜の劣化を回避する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、カソードオフガスの配管に生成水が詰まっているか否かを、配管内の圧力や流量に基づいて判断する。配管が詰まっているときには、燃料電池スタックの出力目標値の上限値を制限したり、ガスの供給量を増大させたり、要求出力の増加率を調整する方法などにより燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制する。【選択図】図３
2008235279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記出力目標値の上限値を制限する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、予め設定された所定時間後に、前記制限を行う、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの流量を維持するように、前記給排気系の動作を制御しつつ、前記制限を行う、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記判断部は、前記流路の詰まり具合を、所定のパラメータに基づいて、定量的に検出可能であり、
前記制御部は、前記パラメータに応じて、前記制限を行う、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記給排気系は、前記ガスの圧力または流量を測定するための測定部を備え、
前記判断部は、前記測定結果に基づいて、前記流路が詰まっているか否かを判断する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記給排気系は、酸素を供給するための酸素供給系と、水素を供給するための水素供給系と、前記燃料電池スタックで未使用の酸素を排出するための酸素排出系と、を含み、
前記判断部は、前記酸素排出系における前記酸素の流路が詰まっているか否かを判断する、
燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの供給量を増大させる、
燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムであって、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件が成立しているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記要求出力が増加し、かつ、前記判断部によって前記条件が成立していると判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する、
燃料電池システム。
【請求項９】
電力を出力する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
（ｂ）前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記出力目標値の上限値を制限する工程と、
を備える制御方法。
【請求項１０】
電力を出力する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
（ｂ）前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否か判断する工程と、
（ｃ）前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの供給量を増大させる工程と、
を備える制御方法。
【請求項１１】
電力を出力する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、前記出力の履歴を記憶するための記憶部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
（ｂ）前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件が成立しているか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記要求出力が増加したか否かを判断する工程と、
（ｄ）前記要求出力が増加し、かつ、前記条件が成立していると判断したときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する工程と、
を備える制御方法。
【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運転制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極と酸素極とを備え、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を発生する燃料電池（燃料電池スタック）が提案されている。燃料電池では、水素と酸素との電気化学反応により、水（生成水）が生成される。この生成水は、排出ガスとともにガス排出系から排出されたり、所定の排出系から排出されたりする。
【０００３】
ガス排出系では、生成水によって配管内に水詰まりが生じる場合がある。この場合、燃料電池へのガスの給排に支障が生じ、燃料電池の発電効率が低下する。このため、従来、燃料電池システムのガス排出系に気液分離器を配設し、多量の生成水による配管の水詰まりを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５７５２９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、従来は、指示通りにガスが供給されることを前提として燃料電池システムの運転制御が行われており、現実に配管内に水詰まりが生じた場合の燃料電池システムの運転制御については考慮されていなかった。そして、水詰まりによってガスの供給量が不十分な状態で、ガスの供給量に合わない量の発電を燃料電池に行わせようとすると、電解質膜の劣化を招き、燃料電池の寿命が低下する場合があった。これは、特に固体高分子型の燃料電池で顕著だった。このような燃料電池の劣化は、ガス排出系の配管に水詰まりが生じた場合に限らず、燃料電池へのガス供給系またはガス排出系の配管が異物などによって閉塞し、ガスが適正に流れなくなった場合に同様に生じ得る。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、ガス流路の閉塞による燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第１の燃料電池システムは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記出力目標値の上限値を制限することを要旨とする。
【０００８】
ここで、「ガスの流路が詰まっている」とは、ガスの流路が完全に閉塞している状態だけでなく、生成水や異物で配管の断面積が狭小になっている場合や、配管の一部が変形している場合など、広義に適正なガスの流量が確保できない状態を意味している。本発明では、ガスの流路が詰まっていると判断されたときに、燃料電池スタックの出力目標値の上限値を制限し、燃料電池スタックに発電を行わせないようにすることができる。この結果、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。
【０００９】
なお、「出力目標値の上限値を制限する」とは、通常時の出力目標値を基準として上限値を制限してもよいし、通常時の出力目標値とは無関係に上限値を設定してもよい。前者の場合としては、例えば、通常時の出力目標値に０以上１未満の所定の係数を掛けたり、通常時の出力目標値から所定値を減じたりする態様が挙げられる。後者の場合としては、例えば、要求出力が所定値を超えたときに、出力目標値を所定値のまま維持する態様が挙げられる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、予め設定された所定時間後に、前記制限を行うようにしてもよい。
【００１１】
ガスの流路が詰まった状態であっても、所定時間、通常の制御を行っているうちに、詰まりが解消される場合がある。特に、流路の詰まりの原因が燃料電池スタックからの生成水である場合や、燃料電池スタックに供給された水蒸気が凝縮した凝縮水である場合には、比較的解消されやすい。従って、本発明によっても、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの流量を維持するように、前記給排気系の動作を制御しつつ、前記制限を行うようにしてもよい。
【００１３】
こうすることによって、ガスの流路の詰まりの原因となる水や異物を、ガスの流れによって除去しながら、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記判断部は、前記流路の詰まり具合を、所定のパラメータに基づいて、定量的に検出可能であり、
前記制御部は、前記詰まり具合に応じて、前記制限を行うようにしてもよい。
【００１５】
ここで、「所定のパラメータ」としては、例えば、ガスの圧力や流量が挙げられる。本発明によって、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制しつつ、十分な出力を確保することができる。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記給排気系は、前記ガスの圧力または流量を測定するための測定部を備え、
前記判断部は、前記測定結果に基づいて、前記流路が詰まっているか否かを判断するようにすることができる。
【００１７】
こうすることによって、ガスの圧力が所定範囲から外れている場合に、流路が詰まっていると判断することができる。また、ガスの流量が所定値よりも少ない場合に、流路が詰まっていると判断することができる。また、ガスの圧力や流量の測定値の経時変化によって、流路の詰まりを判断したり、将来的な流路の詰まりを予測したりしてもよい。測定値と所定の基準値との比較により、流路の詰まり具合を定量的に検出してもよい。
【００１８】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記給排気系は、酸素を供給するための酸素供給系と、水素を供給するための水素供給系と、前記燃料電池スタックで未使用の酸素を排出するための酸素排出系と、を含み、
前記判断部は、前記酸素排出系における前記酸素の流路が詰まっているか否かを判断するようにすることができる。
【００１９】
燃料電池スタックは、水素極に供給された水素と酸素極に供給された酸素との電気化学反応によって発電を行う。このとき、酸素極側で生成水が生成される。そして、この生成水の大部分は、酸素排出系から排出される。このため、酸素排出系で水詰まりが生じやすい。本発明では、酸素排出系における酸素の流路が詰まっているか否かを判断するので、生成水による水詰まりが生じたときに、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００２０】
本発明の第２の燃料電池システムは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記給排気系および前記燃料電池スタックの少なくとも一部における前記ガスの流路が詰まっているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記流路が詰まっていると判断されたときに、前記ガスの供給量を増大させることを要旨とする。
【００２１】
こうすることによって、ガスの流路の詰まりの原因となる水や異物を、ガスの流れによって吹き飛ばし、除去することができる。
【００２２】
本発明の第３の燃料電池システムでは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件が成立しているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記要求出力が増加し、かつ、前記判断部によって前記条件が成立していると判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定することを要旨とする。
【００２３】
「ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成される所定の条件」としては、例えば、燃料電池スタックの出力が所定値よりも低い状態が所定時間以上継続した場合が挙げられる。このような条件が成立している場合には、要求出力が急激に増加し、それに応じた出力目標値を設定すると、燃料電池スタックに蓄積されていた生成水が急激に排出され、ガスの流路に水詰まりが生じる。本発明では、予め流路に生成水が詰まるおそれを予測して、要求出力の増加率よりも、出力目標値の増加率の方が小さくなるように、出力目標値を設定するので、生成水の生成量が急激に増加することを抑制することができる。この結果、流路の水詰まりを抑制することができる。
【００２４】
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．運転制御：
Ｃ．異常時制御：
Ｃ１．第１実施例：
Ｃ２．第２実施例：
Ｄ．第３実施例（運転制御）：
Ｅ．変形例：
【００２６】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、アクセル開度センサ１０１によって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。
【００２７】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている（図示省略）。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２８】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３６およびマフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧力は、配管３６に設けられた圧力センサ５３で検出され、調圧バルブ２７の開度によって制御される。
【００２９】
配管３６には、カソードオフガスとともに、水素と酸素との電気化学反応によりカソードで生成された生成水も排出される。この生成水は、図示しない回収機構によって回収され、加湿器４２などで再利用される。
【００３０】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３１、３２を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３１】
水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、高圧バルブ２３、低圧バルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３３に流出する。配管３３には、圧力センサ５１およびバルブ２５が設けられており、これらは、アノードへの水素の供給圧力および量の制御に利用される。
【００３２】
配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続される。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３３にはアノードオフガスを加圧するためのポンプ４５が設けられている。
【００３３】
排出管３４に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。
【００３４】
アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通り、希釈器４４で空気によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。
【００３５】
燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。
【００３６】
燃料電池システムの運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット１００に入出力される信号の一例を破線で示した。入力としては、例えば、圧力センサ５３や、アクセル開度センサ１０１の検出信号などが挙げられる。出力としては、例えば、低圧バルブ２４や、排出バルブ２６や、調圧バルブ２７や、コンプレッサ４１などが挙げられる。
【００３７】
Ｂ．運転制御：
燃料電池スタック１０で生成された生成水は、燃料電池スタック１０の出力状況によって、配管３６内で詰まる場合がある。例えば、燃料電池スタック１０の出力が低く、生成水の量が少ない状態が長時間継続した場合には、生成水が排出されにくい状態になっている。この状態で、燃料電池スタック１０の出力が急激に増加すると、排出される生成水の量も急激に増加する。この条件が成立した場合には、生成水は配管３６内に詰まり易くなる。生成水が配管３６内に詰まると、先に説明したように、燃料電池スタック１０の電解質膜が劣化し、寿命低下を招く。従って、本実施例の燃料電池システムでは、このような寿命低下を抑制するための運転制御を行う。なお、本実施例の燃料電池システムでは、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転した後に、燃料電池スタック１０の出力が急激に増加すると、配管３６内に生成水が詰まり易い傾向にあることが既知であるものとする。この１０分間という時間や、出力Ｐｅは、燃料電池システムによって異なり得る。
【００３８】
図２は、燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。制御ユニット１００のＣＰＵが実行する処理である。まず、圧力センサ５３の検出信号など各種信号を読み込み（ステップＳ１００）、配管３６内に生成水が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ２００）。本実施例では、圧力センサ５３の測定値に基づいて、詰まっているか否かを判断するものとした。圧力センサ５３の測定値が正常範囲から外れている場合に、配管３６内に生成水が詰まっていると判断される。詰まっ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）。通常制御は、要求出力に応じた出力目標値を設定し、発電を行う制御である。ステップＳ２００において、詰まっ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）。以下、異常時制御について説明する。
【００３９】
Ｃ．異常時制御：
Ｃ１．第１実施例：
図３は、第１実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。まず、１０秒間通常制御を行い（ステップＳ４１０）、圧力センサ５３の検出信号を読み込み、配管３６が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ４２０）。ここで、１０秒間通常制御を行うのは、図２に示したステップＳ２００において、一旦、配管３６内が詰まっていると判断されても、１０秒程度通常制御を行う間に、配管３６の詰まりが解消される場合があるからである。
【００４０】
なお、本実施例では、ステップＳ４１０において、配管３６が詰まっていても、通常制御を１０秒間行うものとしたが、この時間は、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を行わなくてもよい。
【００４１】
ステップＳ４２０において、配管３６の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。配管３６の詰まりが解消されない場合は、燃料電池スタック１０の出力目標値の上限値を制限し（ステップＳ４３０）、これを１０秒間継続する（ステップＳ４４０）。本実施例では、ステップＳ４３０において、要求出力に対する出力目標値を一律通常制御時の９０（％）に制限するものとした。また、本実施例では、ステップＳ４４０において、カソードへの圧縮空気の供給量は、通常制御時と同じ量を維持するものとした。こうすることによって、配管３６に詰まった生成水が除去されやすくすることができる。
【００４２】
次に、再度、圧力センサ５３の検出信号を読み込み、配管３６が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ４５０）。配管３６の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。解消されなければ、システムダウンする（ステップＳ４６０）。
【００４３】
以上説明した第１実施例の異常時制御によれば、配管３６内に生成水が詰まっているときに、燃料電池スタック１０に所定値（本実施例では、最大出力の９０（％））以上の出力を要求しないようにすることができる。この結果、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００４４】
Ｃ２．第２実施例：
図４は、第２実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。本実施例では、まず、調圧バルブ２７およびコンプレッサ４１を制御して、カソードに供給する空気の供給量を増大し（ステップＳ４１０ａ）、１０秒間継続する（ステップＳ４２０ａ）。そして、圧力センサ５３の検出信号を読み込み、配管３６が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ４３０ａ）。配管３６の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。解消されなければ、システムダウンする（ステップＳ４４０ａ）。
【００４５】
以上説明した第２実施例の異常時制御によれば、配管３６内に生成水が詰まっているときに、圧縮空気によって生成水を吹き飛ばし、除去することができる。この結果、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００４６】
Ｄ．第３実施例（運転制御）：
上記第１および第２実施例では、配管３６内に生成水が詰まった場合の異常時制御について説明した。本実施例では、配管３６内に生成水が詰まることを予測し、回避するための運転制御を行う。なお、本実施例では、制御ユニット１００のＲＡＭが燃料電池スタック１０の出力の履歴を記憶する機能を有している。
【００４７】
図５は、第３実施例としての燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。制御ユニット１００のＣＰＵが実行する処理である。まず、各種信号を読み込む（ステップＳ５００）。そして、燃料電池スタック１０の出力の履歴に基づいて、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転していたか否かを判断する（ステップＳ５１０）。先に説明したように、本実施例の燃料電池システムは、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転した後に、燃料電池スタック１０の出力が急激に増加すると、配管３６内に生成水が詰まり易い傾向にあることが既知であるからである。１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転していない場合は、通常制御を行う（ステップＳ３００）。
【００４８】
ステップＳ５１０において、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転していた場合は、要求出力が増加したか否かを判断する（ステップＳ５２０）。ステップＳ５２０において、要求出力が増加していない場合は、通常制御を行う（ステップＳ３００）。
【００４９】
ステップＳ５２０において、要求出力が増加した場合は、増加率制限制御を行う（ステップＳ５３０）。ここで、増加率制限制御とは、ステップＳ５３０の枠内にグラフで示したように、時刻ｔにおいて、要求出力が増加した場合に、その増加率よりも小さな増加率となるように、燃料電池スタック１０の出力目標値を設定する制御である。増加率の制限は、例えば、要求出力の増加率に所定の係数を掛けることによって行ってもよいし、増加率に上限を設けることによって行ってもよい。
【００５０】
なお、この制御は、例えば、要求出力の増加量が所定値以上の場合や、増加率が所定値以上の場合に行うものとしてもよい。要求出力の増加量が所定値よりも少ない場合や、増加率が所定値よりも低い場合には、生成水の量が急激に増加することはないため、配管３６内に生成水が詰まるおそれが少ないからである。
【００５１】
以上説明した第３実施例の運転制御によれば、予め配管３６内に生成水が詰まるおそれを予測し、抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００５２】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００５３】
Ｅ１．変形例１：
上記第１実施例では、異常時制御の際に、配管３６の詰まり具合に関わらず、燃料電池スタック１０の出力目標値を一律通常制御時の９０（％）に制限したが、これに限られない。例えば、配管３６内の圧力に応じて制限率を変化させるようにしてもよい。
【００５４】
図６は、配管３６内の圧力と制限率との関係の一例を示す説明図である。ここで、制限率１００（％）とは、出力目標値の制限を行わないことを意味するものとする。図中に実線で示したように、圧力Ｐ０〜Ｐ１では、配管３６に詰まりが生じていないものと判断して、通常制御を行い、制限を行わない（制限率１００（％））。そして、圧力Ｐ１〜Ｐ２では、圧力に応じて、制限率を１００〜８０（％）に設定する。圧力Ｐ２を超えた場合は、システムダウンする。なお、図６では、圧力Ｐ１〜Ｐ２において、制限率を線形に変化させる場合について示したが、非線形に変化させてもよい。
【００５５】
また、図中に一点鎖線で示したように、通常制御と異常時制御とを切り換えずに、配管３６内の圧力に応じて制限率を設定するようにしてもよい。
【００５６】
Ｅ２．変形例２：
上記第１実施例では、異常時制御の際に、要求出力に対して燃料電池スタック１０の出力目標値を一律通常制御時の９０（％）に制限したが、通常制御時の出力目標値に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。
【００５７】
図７は、異常時制御の際の要求出力と出力目標値との関係の一例を示す説明図である。本変形例では、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（％）に制限するものとした。本変形例によっても、第１実施例と同様に、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。
【００５８】
Ｅ３．変形例３：
上記第１および第２実施例では、配管３６が生成水によって詰まった場合を例に説明したが、これに限られない。燃料電池システムの給排気系におけるいずれかの配管が詰まった場合についても、同様に本発明を適用可能である。この場合、各配管に圧力センサを設け、配管内の圧力に基づいて、配管が詰まっているか否かを判断すればよい。また、配管の詰まりの原因は生成水に限らず、埃などの異物であってもよい。この場合も、本発明を適用することができる。
【００５９】
Ｅ４．変形例４：
上記第１および第２実施例では、配管内の圧力に基づいて、配管が詰まっているか否かを判断するものとしたが、配管に流量計を設け、ガスの流量に基づいて、判断するものとしてもよい。
【００６０】
Ｅ５．変形例５：
上記実施例では、第１ないし第３実施例を個別に行うものとしたが、これらを組み合わせて行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】第１実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】第２実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】第３実施例としての燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】配管３６内の圧力と制限率との関係の一例を示す説明図である。
【図７】異常時制御の際の要求出力と出力目標値との関係の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０...燃料電池スタック
２０...水素タンク
２１...シャットバルブ
２２...レギュレータ
２３...高圧バルブ
２４...低圧バルブ
２５...バルブ
２６...排出バルブ
２７...調圧バルブ
２８...逆止弁
３１〜３３、３５〜３７...配管
３４...排出管
３８...ラジエータ
４０...フィルタ
４１...コンプレッサ
４２...加湿器
４３...マフラ
４４...希釈器
４５、４６...ポンプ
５１、５３...圧力センサ
１００...制御ユニット
１０１...アクセル開度センサ
【図１】
2008235279.tif 000003
【図２】
2008235279.tif 000004
【図３】
2008235279.tif 000005
【図４】
2008235279.tif 000006
【図５】
2008235279.tif 000007
【図６】
2008235279.tif 000008
【図７】
2008235279.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月18日(2008.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記要求出力が増加し、かつ、前記判断部によって前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記判断部は、前記燃料電池スタックの出力が所定値よりも低い状態が所定時間以上継続したか否かに基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断する、
燃料電池システム。
【請求項３】
電力を出力する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、前記出力の履歴を記憶するための記憶部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
（ｂ）前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記要求出力が増加したか否かを判断する工程と、
（ｄ）前記要求出力が増加し、かつ、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断したときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する工程と、
を備える制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記要求出力が増加し、かつ、前記判断部によって前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定することを要旨とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
「ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否か」は、例えば、燃料電池スタックの出力が所定値よりも低い状態が所定時間以上継続したか否かに基づいて判断することができる。このような場合には、要求出力が急激に増加し、それに応じた出力目標値を設定すると、燃料電池スタックに蓄積されていた生成水が急激に排出され、ガスの流路に水詰まりが生じる。本発明では、予め流路に生成水が詰まるおそれを予測して、要求出力の増加率よりも、出力目標値の増加率の方が小さくなるように、出力目標値を設定するので、生成水の生成量が急激に増加することを抑制することができる。この結果、流路の水詰まりを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。