(57)【要約】【課題】燃料電池に酸化ガスを供給する手段の予備を持つことなく、その手段が故障したときの対処を行うことができる。【解決手段】燃料電池システム２０は、ＦＣ用エアコンプレッサ３７が故障したときには、ＦＣ用バルブ６１、排出用バルブ６２及び燃焼用バルブ６３を閉鎖し臨時第１バルブ６４及び臨時第２バルブ６５を開放する。これにより、燃焼用エアコンプレッサ２７は外部から臨時第１バルブ６４、ガス流量計３８、酸化ガス通路３３及び臨時第２バルブ６５を介して吸込口から空気を吸い込んで吐出口から加熱部２３へ吐出するため、酸化ガス通路３３には外気が通過することになり、燃料電池３０は発電し続けることができる。【選択図】  図１
2004311076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素とアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記酸化ガス通路へ酸化ガスを供給する第１酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池以外の酸化ガスを要するシステム搭載機器へ酸化ガスを供給する第２酸化ガス供給手段と、
前記第１酸化ガス供給手段が前記酸化ガス通路へ酸化ガスを供給するのを許容する通常状態と前記第２酸化ガス供給手段が前記酸化ガス通路へ酸化ガスを通過させるのを許容する臨時状態とを切り替える切替手段と、
前記切替手段により前記通常状態に設定されているときに前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されていないと判定されたとき、前記切替手段を前記通常状態から前記臨時状態に切り替える切替制御手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記酸化ガス通路の入口へ供給し、
前記第２酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器へ供給し、
前記臨時状態は、前記第２酸化ガス供給手段が吸込口から外部の空気を前記酸化ガス通路を介して吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器へ供給可能な状態である
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記切替手段は、前記第１酸化ガス供給手段の吐出口と前記酸化ガス通路の入口とを接続する配管の途中に設けられた第１開閉弁と、前記酸化ガス通路の出口とカソードオフガスを排出する外部とを接続する配管の途中に設けられた第２開閉弁と、酸化ガスとしての空気を導入する外部と前記第２酸化ガス供給手段の吸込口とを接続する配管の途中に設けられた第３開閉弁と、酸化ガスとしての空気を導入する外部と前記酸化ガス通路の入口とを接続する配管の途中に設けられた第４開閉弁と、前記酸化ガス通路の出口と前記第２酸化ガス供給手段の吸込口とを接続する配管の途中に設けられた第５開閉弁とを備え、第１，第２及び第３開閉弁を開き第４及び第５開閉弁を閉じた状態の前記通常状態と第１，第２及び第３開閉弁を閉じ第４及び第５開閉弁を開いた状態の前記臨時状態とを切り替える
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス通路の出口と前記第２酸化ガス供給手段の吸込口との間に設けられ、前記酸化ガス通路の出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水分を除去する水分除去手段
を備えた燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記酸化ガス通路の入口へ供給し、
前記第２酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器へ供給し、
前記臨時状態は、前記第２酸化ガス供給手段が吸込口から外部の空気を吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器及び前記酸化ガス通路の両方へ供給可能な状態である
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記切替手段は、前記第１酸化ガス供給手段の吐出口と前記酸化ガス通路の入口とを接続する途中に設けられた第１開閉弁と、前記第２酸化ガス供給手段の吐出口と前記酸化ガス通路の入口とを接続する配管の途中に設けられた第２開閉弁とを備え、前記第１開閉弁を開き前記第２開閉弁を閉じた状態の前記通常状態と前記第１開閉弁を閉じ前記第２開閉弁を開いた状態の前記臨時状態とを切り替える
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記システム搭載機器は、炭化水素系燃料を改質して燃料ガスとしての水素リッチなガスを生成する改質反応部を燃焼熱により加熱するか又は前記改質反応部へ供給される前記炭化水素系燃料を燃焼熱により気化させる加熱器であり、
前記第２酸化ガス供給手段は、前記加熱器に燃焼用の酸化ガスを供給する
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記システム搭載機器は、炭化水素系燃料を改質反応で改質して得られるガスからＣＯ酸化反応でＣＯを低減化して燃料ガスを生成する改質装置であり、
前記第２酸化ガス供給手段は、前記改質反応又は前記ＣＯ酸化反応で使用される酸化ガスを供給する
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記切替制御手段が前記切替手段を前記通常状態から前記臨時状態に切り替えたあと、前記酸化ガス通路を通過する酸化ガスの流量に基づいて前記燃料電池の運転を制御する運転制御手段
を備えた燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した車両。
【請求項１１】
カソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素とアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記酸化ガス通路へ酸化ガスを供給する第１酸化ガス供給手段と、前記燃料電池以外の酸化ガスを要するシステム搭載機器へ酸化ガスを供給する第２酸化ガス供給手段と、前記第１酸化ガス供給手段が酸化ガスを前記酸化ガス通路に供給するのを許容する通常状態と前記第２酸化ガス供給手段が酸化ガスを前記酸化ガス通路に通過させるのを許容する臨時状態とを切り替える切替手段とを備えた燃料電池システムをコンピュータが制御する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記切替手段により前記通常状態に設定されているときに、前記コンピュータが前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されているか否かを判定する判定ステップと、
（ｂ）前記判定ステップで前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されていないと判定されたとき、前記コンピュータが前記切替手段を前記通常状態から前記臨時状態に切り替える切替制御ステップと
を含む燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、それを搭載した車両及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、カソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素とアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この種の燃料電池システムでは、エアコンプレッサからの圧縮空気を酸化ガスとして燃料電池の酸化ガス通路へ供給し、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成し該改質ガスを燃料ガスとして燃料電池の燃料ガス通路へ供給するものも知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸化ガス通路へ圧縮空気を供給するエアコンプレッサが故障した場合には電気化学反応が起こらなくなるため電力が発生しなくなり不都合が生じることがある。したがって、そのような場合を想定して、予め何らかの対策を講じておくことが好ましい。例えば、酸化ガス通路へ圧縮空気を供給するエアコンプレッサの予備を搭載しておくことが考えられるが、そのような予備の設置場所が必要となるうえコストも嵩むことになる。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、燃料電池に酸化ガスを供給する手段の予備を持つことなくその手段から燃料電池に酸化ガスが正常に供給されなくなったときの対処が可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。また、燃料電池に酸化ガスが正常に供給されなくなったときに何らかの不具合が発生したことをオペレータが気づきやすい状態でその対処を行う燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。
【０００５】
なお、本出願人は、燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸化ガス通路へ酸化ガスを供給するエアコンプレッサのほかに、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する改質器に隣接して設けられた燃焼器へ燃焼用エアを供給するエアコンプレッサを備えたものを提案している（例えば特許文献１）が、前者のエアコンプレッサが故障したときの対策については言及されていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２４３号公報
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述した目的の少なくとも一部を達成するため、本発明は以下の構成を採っている。
【０００８】
本発明の第１の燃料電池システムは、
カソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素とアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記酸化ガス通路へ酸化ガスを供給する第１酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池以外の酸化ガスを要するシステム搭載機器へ酸化ガスを供給する第２酸化ガス供給手段と、
前記第１酸化ガス供給手段が前記酸化ガス通路へ酸化ガスを供給するのを許容する通常状態と前記第２酸化ガス供給手段が前記酸化ガス通路へ酸化ガスを通過させるのを許容する臨時状態とを切り替える切替手段と、
前記切替手段により前記通常状態に設定されているときに前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されていないと判定されたとき、前記切替手段を前記通常状態から前記臨時状態に切り替える切替制御手段と
を備えたものである。
【０００９】
この燃料電池システムでは、切替手段により通常状態に設定されているときに第１酸化ガス供給手段から燃料電池の酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されているか否かを判定し、第１酸化ガス供給手段から酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されていないと判定されたきには切替手段を通常状態から臨時状態に切り替える。これにより、第１酸化ガス供給手段から何らかの理由で酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されなくなったときには、第２酸化ガス供給手段が酸化ガス通路へ酸化ガスを通過させることになる。したがって、燃料電池に酸化ガスを供給する手段（つまり、第１酸化ガス供給手段）の予備を持つことなくその手段から燃料電池に酸化ガスが正常に供給されなくなったときの対処が可能になり、燃料電池を発電させ続けることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記酸化ガス通路の入口へ供給し、前記第２酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器へ供給し、前記臨時状態は、前記第２酸化ガス供給手段が吸込口から外部の空気を前記酸化ガス通路を介して吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器へ供給可能な状態としてもよい。この場合、第２酸化ガス供給手段は、外部の空気を燃料電池の酸化ガス通路を介して吸い込むため酸化ガス通路には空気が流通することになるが、酸化ガス通路の圧力損失により十分な量の空気を吸い込みにくいため燃料電池は十分発電しにくい。したがって、この燃料電池システムのオペレータは何らかの不具合が発生したことに気づきやすい。
【００１１】
この態様を採用した本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１酸化ガス供給手段の吐出口と前記酸化ガス通路の入口とを接続する配管の途中に設けられた第１開閉弁と、前記酸化ガス通路の出口とカソードオフガスを外部へ排出する外部とを接続する配管の途中に設けられた第２開閉弁と、酸化ガスとしての空気を導入する外部と前記第２酸化ガス供給手段の吸込口とを接続する配管の途中に設けられた第３開閉弁と、酸化ガスとしての空気を導入する外部と前記酸化ガス通路の入口とを接続する配管の途中に設けられた第４開閉弁と、前記酸化ガス通路の出口と前記第２酸化ガス供給手段の吸込口とを接続する配管の途中に設けられた第５開閉弁とを備え、第１，第２及び第３開閉弁を開き第４及び第５開閉弁を閉じた状態の前記通常状態と第１，第２及び第３開閉弁を閉じ第４及び第５開閉弁を開いた状態の前記臨時状態とを切り替えるようにしてもよい。こうすれば、開閉弁の切替という比較的簡単な操作で本発明の効果を得ることができる。また、前記酸化ガス通路の出口と前記第２酸化ガス供給手段の吸込口との間に前記酸化ガス通路の出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水分を除去する水分除去手段を備えていてもよい。燃料電池の電気化学反応によりカソード側には水が生成するため、酸化ガス通路の出口から排出されるカソードオフガスは水を含んでいることが多いが、ここではその水を除去したうえでカソードオフガスを第２酸化ガス供給手段からシステム搭載機器へ供給するため、システム搭載機器において水分による不具合が生じるおそれがない。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記酸化ガス通路の入口へ供給し、前記第２酸化ガス供給手段は、吸込口から酸化ガスとして外部の空気を吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器へ供給し、前記臨時状態は、前記第２酸化ガス供給手段が吸込口から外部の空気を吸い込んで吐出口から前記システム搭載機器及び前記酸化ガス通路の両方へ供給可能な状態としてもよい。上述したように、第２酸化ガス供給手段が吸込口から外部の空気を燃料電池の酸化ガス通路を介して吸い込む場合には酸化ガス通路の圧力損失により十分な量の空気を吸い込みにくく燃料電池は十分に発電しないおそれがあるが、第２酸化ガス供給手段が吸込口から外部の空気を吸い込んで吐出口からシステム搭載機器及び前記ガス通路の両方へ供給する場合にはそのようなおそれが少ない。
【００１３】
この態様を採用した本発明の燃料電池システムにおいて、前記切替手段は、前記第１酸化ガス供給手段の吐出口と前記酸化ガス通路の入口とを接続する途中に設けられた第１開閉弁と、前記第２酸化ガス供給手段の吐出口と前記酸化ガス通路の入口とを接続する配管の途中に設けられた第２開閉弁とを備え、前記第１開閉弁を開き前記第２開閉弁を閉じた状態の前記通常状態と前記第１開閉弁を閉じ前記第２開閉弁を開いた状態の前記臨時状態とを切り替えるようにしてもよい。こうすれば、開閉弁の切替という比較的簡単な操作で本発明の効果を得ることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記システム搭載機器は、炭化水素系燃料を改質して燃料ガスとしての水素リッチなガスを生成する改質反応部を燃焼熱により加熱するか又は前記改質反応部へ供給される前記炭化水素系燃料を燃焼熱により気化させる加熱器であり、前記第２酸化ガス供給手段は、前記加熱器に燃焼用の酸化ガスを供給するものであってもよい。あるいは、前記システム搭載機器は、炭化水素系燃料を改質反応で改質して得られるガスからＣＯ酸化反応でＣＯを低減化して燃料ガスを生成する改質装置であり、前記第２酸化ガス供給手段は、前記改質反応又は前記ＣＯ酸化反応で使用される酸化ガスを供給するものであってもよい。ここで、第１酸化ガス供給手段から燃料電池の酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されなくなったときに、後者の場合には改質装置から生成するガスの量や組成に影響するおそれがあるのに対し、前者の場合にはそのようなおそれが小さい。
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、前記切替制御手段が前記切替手段を前記通常状態から前記臨時状態に切り替えたあと、前記酸化ガス通路を通過する酸化ガスの流量に基づいて前記燃料電池の運転を制御する運転制御手段を備えていてもよい。第１酸化ガス供給手段から酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されていないときには第２酸化ガス供給手段に燃料電池の酸化ガス通路へ酸化ガスを通過させるが、そのときには十分な酸化ガス量が得られないことがあり、要求される電力を燃料電池が発生できないことがある。このため、燃料電池を保護する観点から、酸化ガス量に基づいて燃料電池の運転を制御することが好ましい。例えば、運転制御手段は、臨時状態になったあと、酸化ガス通路を実際に通過する酸化ガスの流量から電気化学反応の化学量論値に基づいて燃料ガス通路へ供給する燃料ガスの流量を決定しその流量となるように燃料ガスの流量を調整してもよい。
【００１６】
本発明の第２は、上述した燃料電池システムを搭載した車両である。この燃料電池システム搭載車両によれば、上述した燃料電池システムと同様な効果が得られる。また、何らかの理由により第１酸化ガス供給手段から燃料電池の酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されなくなったとしても、車両を修理工場まで運んだりすることができる。
【００１７】
本発明の第３は、カソード側に設けられた酸化ガス通路を通過する酸化ガス中の酸素とアノード側に設けられた燃料ガス通路を通過する燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記酸化ガス通路へ酸化ガスを供給する第１酸化ガス供給手段と、前記燃料電池以外の酸化ガスを要するシステム搭載機器へ酸化ガスを供給する第２酸化ガス供給手段と、前記第１酸化ガス供給手段が酸化ガスを前記酸化ガス通路に供給するのを許容する通常状態と前記第２酸化ガス供給手段が酸化ガスを前記酸化ガス通路に通過させるのを許容する臨時状態とを切り替える切替手段とを備えた燃料電池システムをコンピュータが制御する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記切替手段により前記通常状態に設定されているときに、前記コンピュータが前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されているか否かを判定する判定ステップと、
（ｂ）前記判定ステップで前記第１酸化ガス供給手段から前記酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されていないと判定されたとき、前記コンピュータが前記切替手段を前記通常状態から前記臨時状態に切り替える切替制御ステップと
を含むものである。
【００１８】
この燃料電池システムでは、第１酸化ガス供給手段から何らかの理由で酸化ガス通路へ酸化ガスが正常に供給されなくなったときには、第２酸化ガス供給手段が酸化ガス通路へ酸化ガスを通過させることになる。したがって、燃料電池に酸化ガスを供給する手段（つまり、第１酸化ガス供給手段）の予備を持つことなくその手段から燃料電池に酸化ガスが正常に供給されなくなったときの対処が可能になり、燃料電池を発電させ続けることができる。なお、本発明の第３における燃料電池システムは、本発明の第１の説明において述べたような具体的な構成を備えていてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の燃料電池システム２０を搭載した車両１０の概略構成を表すブロック図である。
【００２０】
車両１０は、燃料電池３０で発電を行う燃料電池システム２０と、燃料電池３０で発生した電力を駆動力に変換して減速ギヤ５２を介して駆動輪５４，５４を回転させる駆動装置５０とを備えている。また、燃料電池システム２０は、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質装置２１と、カソード側に設けられた酸化ガス通路３３に供給される酸化ガス中の酸素とアノード側に設けられた燃料ガス通路３５に供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する燃料電池３０と、システム全体の制御を司るコントローラ４０とを備えている。なお、駆動装置５０は、図示しないが、燃料電池３０で発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置やその交流電力で回転駆動されるモータなどを備えている。
【００２１】
改質装置２１は、改質用メタノールと水との混合溶液を気化させて混合気体とする蒸発部２２と、この混合気体と改質用エアとを導入して改質反応を行う改質反応部２４と、改質反応部２４から送られてきたガス中のＣＯから水素を発生させるシフト反応部２５と、シフト反応部２５から送られてきたガス中に残存するＣＯを低減させるＣＯ選択酸化部２６とを備えている。
【００２２】
蒸発部２２は、図示しないポンプから供給される改質用メタノールと水との混合溶液を気化させて混合気体とし、その混合気体を改質反応部２４へ供給する。この蒸発部２２は、改質用メタノールと水との混合溶液を気化させるのに必要な熱エネルギを加熱部２３から受け取る。加熱部２３は、図示しないポンプから供給される燃焼用メタノールを燃焼用エアコンプレッサ２７から供給される燃焼用エアと共にバーナーで燃焼することにより生じる熱量で蒸発部２２を加熱する。また、燃焼用エアコンプレッサ２７は、開状態の燃焼用バルブ６３を介して吸込口から外気を吸い込んだあと吐出口から加熱部２３へ吐出可能なように配管されていると共に、燃料電池３０のカソードオフガスを吸込口から吸い込んだあと吐出口から加熱部２３へ吐出可能なように配管されている。なお、本実施形態で用いられる各バルブは、ソレノイドへの通電・遮電を制御することによって開閉が切り替わるソレノイドバルブである。また、加熱部２３から排出される排ガスは、浄化処理されたあと外部へ排出される。
【００２３】
改質反応部２４は、蒸発部２２から供給される改質用メタノールと水との混合気体と改質用エアコンプレッサ２８から供給される改質用エアとを反応させ、その反応により生成したガスをシフト反応部２５へ供給する。この改質反応部２４では、吸熱反応である水蒸気改質反応（ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２）と発熱反応である部分酸化反応（ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ２）とが併合して行われるが、生成するガスには水素、二酸化炭素のほかに一酸化炭素も含まれる。また、改質反応部２４では、両反応の熱収支が合うように改質用メタノールや水、改質用エアが供給される。ここで、改質用エアコンプレッサ２８は、吸込口から改質用エアを吸い込んだあと吐出口から改質反応部２４へ供給するように配管されている。
【００２４】
シフト反応部２５は、改質反応部２４から供給されるガス中の一酸化炭素と図示しないポンプから供給されるシフト反応用の水とを反応させ、反応後のガスをＣＯ選択酸化部２６へ供給する。このシフト反応部２５ではシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）が行われて一酸化炭素から水素が発生するため、水素発生率が向上すると共に一酸化炭素が低減化される。このシフト反応後のガスには、水素、二酸化炭素のほかに数％オーダの一酸化炭素が含まれる。
【００２５】
ＣＯ選択酸化部２６は、シフト反応部２５から供給されるガス中の一酸化炭素とＣＯ選択酸化用エアコンプレッサ２９から供給されるＣＯ酸化用エアとを反応させ、反応後のガスを燃料電池３０の燃料ガス通路３５へ供給する。このＣＯ選択酸化部２６ではＣＯ酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２）が行われて一酸化炭素が二酸化炭素に変換されるため、一酸化炭素濃度が低減する。このＣＯ酸化反応後のガスには、水素、二酸化炭素のほかに数ｐｐｍオーダの一酸化炭素が含まれる。ここで、ＣＯ選択酸化用エアコンプレッサ２９は、吸込口からＣＯ酸化用エアを吸い込んだあと吐出口からＣＯ選択酸化部２６へ供給するように配管されている。なお、一酸化炭素濃度をこのように低減させるのは、燃料電池３０のアノード３４に用いられる貴金属触媒のＣＯ被毒を防ぎ、貴金属触媒上での水素のプロトン化を効率よく行うためである。
【００２６】
燃料電池３０（ＦＣと略すこともある）は、湿潤状態でプロトン伝導性を有する固体電解質膜３１をカソード３２とアノード３４とで挟み込み更にその両側を一対の緻密質カーボン製のセパレータ３６，３６で挟み込んで形成された単電池を複数積層した燃料電池スタックとして構成されている。なお、図１に示した燃料電池３０は、便宜上、単電池の概略構成を表した。燃料電池３０は、カソード側に空気（酸化ガス）が通過する酸化ガス通路３３を有し、アノード側に改質装置２１からの改質ガス（燃料ガス）が通過する燃料ガス通路３５を有している。そして、アノード３４では改質ガス中の水素がプロトンと電子に解離し、そのうちのプロトンが固体電解質膜３１を伝導してカソード３２に達すると共に電子が外部配線を通じてカソード３２に達し、カソード３２で圧縮空気中の酸素がアノード３４からの電子によって酸素イオンとなり、その酸素イオンと固体電解質膜３１を伝導してきたプロトンとによって水が生成する。このような電気化学反応により単電池のアノードとカソードとの間に起電力が生じる。
【００２７】
酸化ガス通路３３の入口には、ＦＣ用エアコンプレッサ３７が吸込口から吸い込んで吐出口から吐出したＦＣ用エアをＦＣエア用バルブ６１及びガス流量計３８を介して流入可能な配管が接続されているほか、これと並列に外部から臨時第１バルブ６４及びガス流量計３８を介して外気が流入可能な配管が接続されている。一方、酸化ガス通路３３の出口には、排出用バルブ６２を介して外部へカソードオフガスを放出可能な配管が接続されているほか、これと並列に臨時第２バルブ６５及びドレーン３９を介して燃焼用エアコンプレッサ２７の吸込口へカソードオフガスを流入可能な配管が接続されている。ここで、ドレーン３９は、燃料電池３０での電気化学反応によりカソード側に発生した水分を含むカソードオフガスから水分を除去するものである。
【００２８】
コントローラ４０は、ＣＰＵ４２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、各種処理プログラムや各種マップ等を記憶するＲＯＭ４４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ４６と、図示しない入出力ポートとを備えている。このコントローラ４０には、酸化ガス通路３３へ流入する空気流量を表すガス流量計３８からの検出信号や、図示しないアクセルペダルセンサからのアクセルペダル開度信号ＡＰ、図示しない車速センサからの車速信号Ｖ、駆動装置に含まれる電力変換装置やモータ等からの各種信号などが入力ポートを介して入力される。また、コントローラ４０からは、各バルブ６１〜６５への開閉信号や各エアコンプレッサ２７，２８，２９，３７への回転数を制御する制御信号、駆動装置５０に含まれる電力変換装置やモータへの制御信号などが出力ポートを介して出力される。
【００２９】
次に、本実施形態の燃料電池システム２０の動作について説明する。図２はコントローラ４０のＣＰＵ４２が実行する故障対応ルーチンを表すフローチャートであり、このルーチンは数ｍｓｅｃごとにＲＯＭ４４から読み出され、繰り返し実行される。ところで、この故障対応ルーチンは、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から燃料電池３０の酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないときの対応処理に関するものであるが、酸化ガスが正常に供給されているときには、各バルブ６１〜６５を図３のテーブルの通常状態に設定している。即ち、ＦＣ用バルブ６１、排出用バルブ６２及び燃焼用バルブ６３を開放し、臨時第１バルブ６４及び臨時第２バルブ６５を閉鎖している。このため、ＦＣ用エアコンプレッサ３７が吸込口から外気を吸い込んだあと吐出口から吐出した圧縮空気がＦＣ用バルブ６１を介して酸化ガス通路３３の入口に供給され、酸化ガス通路３３の出口から排出されたカソードオフガスは排出用バルブ６２を介して外部へ排出される。また、通常の車両走行運転時には、車速信号Ｖやアクセルペダル開度信号ＡＰからＲＯＭ４４に記憶されている図示しないマップに基づいて駆動輪５４，５４に要求される動力を算出し、その動力に見合った電力を燃料電池３０が発電するよう酸化ガス通路３３へ流入させる空気の流量（目標空気流量Ｑａ＊）や燃料ガス通路３５へ流入させる改質装置２１からの改質ガスの流量（目標改質ガス流量Ｑｒ＊）を算出し、実際の空気流量Ｑａが目標空気流量Ｑａ＊となるようＦＣ用エアコンプレッサ３７を制御すると共に改質装置２１からの実際の改質ガス流量Ｑｒが目標改質ガス流量Ｑｒ＊となるよう改質装置２１の各エアコンプレッサ２７，２８，２９等を制御している。これと共に、予めＲＯＭ４４に記憶された燃料電池３０のＩＶ特性を用いて今回燃料電池３０に要求された電力を発生するのに最適な運転ポイント（電流電圧値）を求め、その運転ポイントとなるよう駆動装置５０の図示しない電力変換装置を制御して要求動力が駆動輪５４，５４に出力されるように制御している。
【００３０】
さて、図２の故障判定ルーチンの処理が開始されると、コントローラ４０のＣＰＵ４２は、まずフェイルフラグのオンオフ状態を判定する（ステップＳ１００）。このフェイルフラグは、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されているときにはオフ、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないときにはオンにセットされるフラグであり、ＲＡＭ４６の所定領域に記憶される。ステップＳ１００でフェイルフラグがオフだったときには、酸化ガス通路３３へ供給すべき目標空気流量Ｑａ＊を読み込み（ステップＳ１１０）、続いてガス流量計３８からの検出信号から酸化ガス通路３３へ流入する実際の空気流量Ｑａを読み込み（ステップＳ１２０）、実際の空気流量Ｑａが目標空気流量Ｑａ＊に応じて決まる閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１３０）。ここでは、閾値は、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されているときには取り得ない小さな値を算出する関数ｆ（ｘ）を予め設定しておき、この関数ｆ（ｘ）に目標空気流量Ｑａ＊を代入したときのｆ（Ｑａ＊）とした。
【００３１】
そして、ステップＳ１３０で実際の空気流量Ｑａが閾値より大きいときには、ＦＣ用エアコンプレッサ２７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されているとみなし、ＲＡＭ４６の所定領域に設けられたフェイルカウンタの値をゼロにリセットし（ステップＳ１４０）、このルーチンを終了する。ここで、フェイルカウンタは、ステップＳ１３０で実際の空気流量Ｑａが閾値以下であるとの判定が何回連続して行われたかを示すカウンタである。一方、ステップＳ１３０で実際の空気流量Ｑａが閾値以下のときには、ＲＡＭ４６の所定領域に設けられたフェイルカウンタの値を１インクリメントする（ステップＳ１４０）。
【００３２】
続いてフェイルカウンタの値が所定値ｎ（ｎは２以上の整数）に達したか否かを判定し（ステップＳ１５０）、フェイルカウンタの値が所定値ｎに達していないときには、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ１５０でフェイルカウンタの値が所定値ｎに達したときには、実際の空気流量Ｑａが閾値以下であるとの判定がｎ回連続して行われたことになるため、ノイズや急加速による応答遅れ等により実際の空気流量Ｑａがたまたま閾値以下になったのではなくＦＣ用エアコンプレッサ３７の故障等が原因であるとみなし、フェイルフラグをオンにする（ステップＳ１６０）。なお、所定値ｎはノイズや応答遅れ等の原因によりステップＳ１３０で実際の空気流量Ｑａが閾値以下であると連続して何回判定されるかを経験的に求めておき、その経験に基づいて設定すればよい。その後、各バルブ６１〜６５を図３のテーブルの臨時状態に設定し（ステップＳ１７０）、このルーチンを終了する。これにより、ＦＣ用バルブ６１、排出用バルブ６２及び燃焼用バルブ６３は閉鎖され臨時第１バルブ６４及び臨時第２バルブ６５は開放されるので、燃焼用エアコンプレッサ２７が酸化ガス通路３３へ空気を通過させることができる。具体的には、燃焼用エアコンプレッサ２７は外部から臨時第１バルブ６４、ガス流量計３８、酸化ガス通路３３及び臨時第２バルブ６５を介して吸込口から空気を吸い込んで吐出口から加熱部２３へ吐出するため、酸化ガス通路３３には外気が通過することになり、燃料電池３０は発電し続けることができる。
【００３３】
さて、ステップＳ１００でフェイルフラグがオンであったときには、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないため、コントローラ４０のＣＰＵ４２は故障時運転モードに従って燃料電池３０の運転制御を実行し（ステップＳ１８０）、この故障対応ルーチンを終了する。ここで、故障時運転モードとは、車速信号Ｖやアクセルペダル開度信号ＡＰに基づいて駆動輪５４，５４に要求される動力を算出しその動力に見合った電力を燃料電池３０が発電するように燃料電池３０を運転制御するのではなく、実際に酸化ガス通路３３へ流入する空気流量Ｑａに基づいて燃料電池３０を運転制御するモードである。例えば、酸素と水素との電気化学反応の化学量論値から空気流量Ｑａに対応する目標改質ガス流量Ｑｒ＊を求め、その目標改質ガス流量Ｑｒ＊となるよう改質装置２１の各エアコンプレッサ２７，２８，２９等を制御する。
【００３４】
以上詳述した本実施形態によれば、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないときには、ＦＣ用エアコンプレッサ３７に代わって燃焼用エアコンプレッサ２７が燃料電池３０の酸化ガス通路３３へ空気を通過させるため、ＦＣ用エアコンプレッサ３７の予備をわざわざ持つことなくその対処を行うことが可能になり、燃料電池３０は発電し続けることができる。これにより、車両１０の動力源として燃料電池３０しか利用できない場合であっても、車両１０を修理工場まで運んだりすることができる。
【００３５】
また、上述した実施形態では、ＦＣ用エアコンプレッサ３７が自ら故障した場合のほか、ＦＣ用エアコンプレッサ３７は正常であるにもかかわらず酸化ガス通路３３へ至る経路が破損して空気流量Ｑａが閾値以下になった場合であっても、フェイルフラグがオンになるため故障対応がなされる。
【００３６】
更に、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないときには、燃料電池３０の酸化ガス通路３３の入口と出口との間で生じる圧力損失により燃焼用エアコンプレッサ２７は十分な量の空気を吸い込みにくいため、酸化ガス通路３３に十分な量の空気が通過しにくく、燃料電池３０は十分に発電しにくい。このようなときには、車両１０の運転者は、アクセルペダルを踏み込んでも十分加速しないことから何らかの不具合が発生したと気づきやすい。
【００３７】
更にまた、燃焼用エアコンプレッサ２７の吸込口と燃料電池３０の酸化ガス通路３３の出口とを連通する配管の途中にカソードオフガスに含まれる水分を除去するドレーン３９が配置されているため、燃焼用エアコンプレッサ２７の吸込口から吸い込まれるカソードオフガスは水分が除去され、加熱部２３において水分不具合が生じるという事態を招くことがない。
【００３８】
そして、前述したように酸化ガス通路３３に十分な量の空気が通過しにくいが、故障時運転モードではその空気流量に見合っただけの改質ガスを生成し燃料ガス通路３５に供給するため、無駄な改質ガスを生成することがないし、燃料電池３０も保護される。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００４０】
例えば、上述した実施形態では、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないときには、改質用メタノールを燃焼熱により気化させる加熱部２３へ燃焼用エアを供給する燃焼用エアコンプレッサ２７が酸化ガス通路３３へ空気を通過させるようにしたが、改質反応部２４の周囲を燃焼熱により加熱する加熱部へ燃焼用エアを供給する燃焼用エアコンプレッサを搭載している場合にはその燃焼用エアコンプレッサが酸化ガス通路３３へ空気を通過させるようにしてもよい。
【００４１】
また、上述した実施形態では、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されていないときには、燃焼用エアコンプレッサ２７に酸化ガス通路３３へ空気を通過させるようにしたが、改質用エアコンプレッサ２８又はＣＯ酸化用エアコンプレッサ２９が酸化ガス通路３３へ空気を通過させるようにしてもよい。例えば、改質用エアコンプレッサ２８を利用する場合には、図４に示すように、改質用エアコンプレッサ２８の吸込口側に改質用バルブ６６を配置し、酸化ガス通路３３の出口には、排出用バルブ６２を介して外部へカソードオフガスを放出可能な配管を接続するほか、これと並列に臨時バルブ６７及びドレーン６９を介して燃焼用エアコンプレッサ２７の吸込口へカソードオフガスを流入可能な配管を接続する。そして、通常状態ではＦＣ用バルブ６１、排出用バルブ６２及び改質用バルブ６６を開放し臨時第１バルブ６４及び臨時バルブ６７を閉鎖してＦＣ用エアコンプレッサ３７が吸込口から吸い込んだ空気を吐出口から酸化ガス通路３３へ供給するようにし、臨時状態ではＦＣ用バルブ６１、排出用バルブ６２及び改質用バルブ６６を閉鎖し臨時第１バルブ６４及び臨時バルブ６７を開放して改質用エアコンプレッサ２８が酸化ガス通路３３を介して外部の空気を吸い込むようにする。この場合も、上述した実施形態とほぼ同様の作用効果を奏する。ただし、燃焼用エアコンプレッサ２７は通常、改質用エアコンプレッサ２８やＣＯ酸化用エアコンプレッサ２９に比べて容量が大きく改質装置２１から生成するガスの量や組成に与える影響も少ないため、これら３台のエアコンプレッサのうちでは燃焼用エアコンプレッサ２７が適しているといえる。
【００４２】
更に、上述した実施形態では、燃焼用エアコンプレッサ２７が吸込口から外部の空気を酸化ガス通路３３を介して吸い込んで吐出口から加熱部２３へ供給可能な状態を臨時状態としたが、燃焼用エアコンプレッサ２７が吸込口から外部の空気を吸い込んで吐出口から加熱部２３及び酸化ガス通路３３の両方へ供給可能な状態を臨時状態としてもよい。具体的には、図５に示すように、第１実施形態の外部と酸化ガス通路３３の入口とを接続する配管、酸化ガス通路３３の出口と燃焼用エアコンプレッサ２７の吸込口とを接続する配管及びそれに付随するバルブ６４，６５をなくし、その代わりに燃焼用エアコンプレッサ２７の吐出口と酸化ガス通路３３の入口側（ＦＣ用バルブ６１とガス流量計３８との中間）とを接続する配管を設けてその配管途中に臨時バルブ６８を配置する。そして、通常状態ではＦＣ用バルブ６１を開放し臨時バルブ６８を閉鎖してＦＣ用エアコンプレッサ３７が吸込口から吸い込んだ空気を吐出口から酸化ガス通路３３へ供給するようにし、臨時状態ではＦＣ用バルブ６１を閉鎖し臨時バルブ６８を開放して燃焼用エアコンプレッサ２７が吸込口から吸い込んだ空気を吐出口から加熱部２３及び酸化ガス通路３３の両方へ供給するようにする。こうすれば、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されなくなったとしても、燃焼用エアコンプレッサ２７の吐出口から吐出される圧縮空気の一部が酸化ガス通路３３へ供給されるため、酸化ガス通路３３に十分な量の空気を通過させることが可能となる。ただし、この場合には、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３の入口に至るまでの経路が破損しているときには、その破損部から空気が抜けてしまい、対処できないこともある。これに対して上述した実施形態では、そのようなときにも対処できる点で有利である。
【００４３】
更にまた、上述した実施形態では、故障対応ルーチンにおけるステップＳ１８０で故障時運転モードで燃料電池３０を運転制御したが、ステップＳ１８０では故障時運転モードではなく通常時運転モードで燃料電池３０を運転制御してもよい。つまり、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されなくなったあとも、車速信号Ｖやアクセルペダル開度信号ＡＰに基づいて駆動輪５４，５４に要求される動力を算出しその動力に見合った電力を燃料電池３０が発電するように燃料電池３０を運転制御してもよい。特に、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ正常に酸化ガスを供給できなくなったあとも十分な量の空気を酸化ガス通路３３に通過させることができる場合には、燃料電池３０は要求電力に応じて発電することが可能なため、ステップＳ１８０で通常時運転モードで燃料電池３０を運転制御してもよい。
【００４４】
そしてまた、上述した実施形態では、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されているか否かの判定は、酸化ガス通路３３に流入する空気流量Ｑａが閾値より大きいか否かにより行うこととし、閾値として関数ｆ（Ｑａ＊）を用いたが、閾値として関数ではなく一定値を用いてもよい。このときの一定値はＦＣ用エアコンプレッサ３７が正常なときには取り得ない小さな値に設定すればよい。また、ＦＣ用エアコンプレッサ３７から酸化ガス通路３３へ酸化ガスが正常に供給されているか否かの判定は、ＦＣ用エアコンプレッサ３７の回転数に基づいて行ってもよいし、ＦＣ用エアコンプレッサ３７の温度（過熱か否か）に基づいて行ってもよい。ただし、空気流量ＱａはＦＣ用エアコンプレッサ３７が故障しているときだけでなくＦＣ用エアコンプレッサ３７が正常でも酸化ガス通路３３の入口に至るまでの経路が破損しているときにも閾値以下となるため、空気流量Ｑａに基づいて判定するのが好ましい。
【００４５】
そしてまた、上述した実施形態では、燃料電池システム２０を搭載した車両１０について説明したが、車両以外に航空機や船舶、鉄道などの輸送機にこの燃料電池システム２０を搭載してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システム搭載車両の概略構成を表すブロック図。
【図２】故障対応ルーチンのフローチャート。
【図３】通常状態と臨時状態のバルブ開閉状態を表すテーブル。
【図４】他の実施形態の燃料電池システム搭載車両の概略構成を表すブロック図。
【図５】他の実施形態の燃料電池システム搭載車両の概略構成を表すブロック図。
【符号の説明】
１０  車両、２０  燃料電池システム、２１  改質装置、２２  蒸発部、２３  加熱部、２４  改質反応部、２５  シフト反応部、２６  ＣＯ選択酸化部、２７燃焼用エアコンプレッサ、２８  改質用エアコンプレッサ、２９  ＣＯ酸化用エアコンプレッサ、３０  燃料電池、３１  固体電解質膜、３２  カソード、３３  酸化ガス通路、３４  アノード、３５  燃料ガス通路、３６  セパレータ、３７  ＦＣ用エアコンプレッサ、３８  ガス流量計、３９  ドレーン、４０  コントローラ、５０  駆動装置、５２  減速ギヤ、５４  駆動輪、６１  ＦＣ用バルブ、６２  排出用バルブ、６３  燃焼用バルブ、６４  臨時第１バルブ、６５臨時第２バルブ、６６  改質用バルブ、６７  臨時バルブ、６８  臨時バルブ、６９  ドレーン、ＡＰ  アクセルペダル開度信号、Ｖ  車速信号。
【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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