(57)【要約】【課題】燃料電池に対する燃料ガスの供給の可否を適切に判定して制御することができるとともに、燃料ガスの消費率を低く抑え、燃料電池を効率的に稼動させることを可能とする燃料ガス供給制御装置を提供する。【解決手段】燃料ガスセンサ２４で検出したガス濃度Ｄを第１判定値ＤＴＨ１および第２判定値ＤＴＨ２（ＤＴＨ１＞ＤＴＨ２）と大小比較し、Ｄ＞ＤＴＨ１であれば、ガス漏れ履歴記憶部３４にガス漏れ履歴を記憶するとともに燃料電池制御部３０に対する燃料ガスの供給を禁止し、また、ガス漏れ履歴が既に記憶されており、且つ、Ｄ＞ＤＴＨ２であれば、燃料電池制御部３０に対する燃料ガスの供給を禁止する。Ｄ≦ＤＴＨ２であれば、ガス漏れ履歴の有無に係わらず、燃料電池制御部３０に対して燃料ガスを供給し、燃料電池スタック１２を駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて起電力を生成する燃料電池に対する前記燃料ガスの供給制御装置であって、
前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの排出値を検出する排出値検出部と、
前記排出値を第１判定値と比較し、前記排出値が前記第１判定値よりも大きいとき、排出異常と判定する第１判定部と、
前記排出値を前記第１判定値よりも小さい第２判定値と比較し、前記排出値が前記第２判定値よりも大きいとき、排出異常と判定する第２判定部と、
前記第１判定部および前記第２判定部による判定結果を記憶する判定結果記憶部と、
前記第１判定部により排出異常と判定された場合、あるいは、前記第２判定部により排出異常と判定され、且つ、前記判定結果記憶部に排出異常としての判定結果が記憶されている場合、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給を禁止する一方、前記第２判定部が排出異常と判定しない場合、あるいは、前記第１判定部が排出異常と判定せず、且つ、前記判定結果記憶部に排出異常としての判定結果が記憶されていない場合、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給を許容する供給制御部と、
を備えることを特徴とする燃料ガス供給制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて起電力を生成する燃料電池に対する前記燃料ガスの供給制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、燃料電池に対して燃料ガスを供給し、前記燃料ガスを酸化剤ガスと反応させることで得られるエネルギを電気エネルギに変換する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
燃料電池としては、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータによって挟持した固体高分子型燃料電池がある。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００５】
ところで、このような燃料電池では、稼動状況によって、アノード電極に供給された水素ガスの一部が発電に寄与することなく排出されてしまうことがある。また、電解質膜の状態によっては、水素ガスがカソード電極側から排出されてしまうおそれもある。この場合、水素ガスの排出量が多いと、燃料消費率が上昇するため、不経済である。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示された従来技術では、燃料電池のガス排出ラインに水素ガス検知器を接続し、水素ガス検知器が水素ガスの排出を検知した際、水素含有ガスの燃料電池への供給を遮断するようにしている。
【０００７】
また、特許文献２に開示された従来技術では、燃料電池が比較的短い期間で起動および停止が繰り返し行われているか否かを履歴として保持しておき、その履歴に基づいて次回の起動の可否を判断し、排出される水素ガスの濃度が高くなる可能性がある場合、燃料電池の起動を禁止するようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２２３８５０号公報（要約書、図１）
【特許文献２】
特開２００２−１９８０７５号公報（要約書、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、特許文献１の構成では、水素ガスの検出閾値が低すぎると、排出検知感度は向上するものの、燃料電池に供給する水素含有ガスの遮断が頻繁に発生する可能性が高くなり、燃料電池を効率的に稼動できなくなるおそれがある。
【００１０】
また、特許文献２の構成では、燃料電池の起動および停止の履歴のみに基づいて起動の可否判断を行うようにしているため、水素ガスが実際に過剰排出されるような事態に対して確実に対処できないおそれがある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池に対する燃料ガスの供給の可否を適切に判定して制御することができるとともに、燃料ガスの消費率を低く抑え、燃料電池を効率的に稼動させることを可能とする燃料ガス供給制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、燃料電池から排出される燃料ガスの排出値を排出値検出部で検出し、第１判定部がその排出値を第１判定値よりも大きいと判定した場合、供給制御部は、排出異常であるとして燃料電池に対する燃料ガスの供給を禁止する。また、第２判定部が排出値を第１判定値よりも小さい第２判定値と比較し、第２判定値よりも大きいと判定し、且つ、前回の判定結果として排出異常のあったことが判定結果記憶部に記憶されている場合においても、供給制御部は、排出異常であるとして燃料電池に対する燃料ガスの供給を禁止する。この結果、燃料ガスが過剰に排出される事態を事前に回避することができる。
【００１３】
一方、排出値が第１判定値よりも小さく、且つ、前回の判定結果として排出異常が判定結果記憶部に記憶されていない場合には、燃料ガスの供給を許容し、燃料電池による起電力の生成を可能とする。また、排出値が第２判定値よりも小さい場合には、排出異常が回避されているものと想定されるため、前回の判定結果として排出異常が記憶されているか否かに係わらず、燃料ガスの供給を許容する。従って、燃料電池に燃料ガスが供給され、効率的に起電力を生成することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料ガス供給制御装置が適用される燃料電池システム１０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００１５】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）と、燃料電池スタック１２に対する燃料ガスの供給制御を行う燃料ガス供給制御装置１４とを備える。
【００１６】
燃料電池スタック１２は、水素ガスを含む燃料ガスが供給されるアノード電極１６と、酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給されるカソード電極１８とを電解質膜２０を介して結合してなる多数のセルを直列に接続して構成される。アノード電極１６の燃料ガス供給側には、燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給弁２２が配設される。また、アノード電極１６の燃料ガス排出側には、排出される燃料ガスである水素ガスを検出する燃料ガスセンサ２４（排出値検出部）が配設される。
【００１７】
燃料ガス供給制御装置１４は、燃料ガスセンサ２４によって検出された水素ガスの検出値（排出値）からガス濃度Ｄを算出するガス濃度算出部２６と、算出されたガス濃度Ｄ、第１判定値ＤＴＨ１、第２判定値ＤＴＨ２（ＤＴＨ１＞ＤＴＨ２）およびガス漏れ履歴の記録を用いてガス漏れの有無を判定するガス漏れ判定部２８（第１判定部、第２判定部）と、ガス漏れ判定部２８による判定結果に基づいて燃料ガス供給弁２２を制御する燃料電池制御部３０（供給制御部）とを備える。
【００１８】
ガス漏れ判定部２８には、予め設定された第１判定値ＤＴＨ１および第２判定値ＤＴＨ２を記憶する判定値記憶部３２と、ガス漏れ判定部２８によるガス漏れ判定結果をガス漏れ履歴として記憶するガス漏れ履歴記憶部３４（判定結果記憶部）と、ガス漏れ判定部２８での判定処理における各種フラグを記憶するフラグ記憶部３６とが接続される。また、燃料電池制御部３０には、燃料電池スタック１２を始動させるための始動スイッチ３８が接続される。
【００１９】
本実施形態の燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について図２〜図４に示すフローチャートに従って説明する。
【００２０】
操作者により燃料電池スタック１２の始動スイッチ３８が操作されると、図２に示す燃料電池制御ルーチンが起動され、先ず、ガス漏れ判定処理が行われる（ステップＳ１）。この処理は、図３および図４に示すガス漏れ判定ルーチンによって実行される。
【００２１】
すなわち、燃料ガスセンサ２４は、アノード電極１６から排出される燃料ガスである水素ガスの排出値を測定し、ガス濃度算出部２６に供給する（ステップＳ２１）。ガス濃度算出部２６は、燃料ガスセンサ２４からの測定信号より水素ガスのガス濃度Ｄを算出し、ガス漏れ判定部２８に供給する（ステップＳ２２）。
【００２２】
ガス漏れ判定部２８は、フラグ記憶部３６に記憶されている始動時判定処理済フラグの状態を確認する（ステップＳ２３）。この場合、始動時判定処理済フラグは、始動スイッチ３８の操作後、ガス漏れ判定部２８において既にガス漏れの判定を行っている場合にはＯＮとなり、まだ判定を行っていない場合にはＯＦＦに設定されるものとする。
【００２３】
始動時判定処理済フラグがＯＦＦのとき、ガス漏れ判定部２８は、ガス漏れ履歴記憶部３４にガス漏れ履歴が有るか否かを判定し（ステップＳ２４、図４参照）、ガス漏れ履歴がない場合、検出されたガス濃度Ｄと判定値記憶部３２に記憶された第１判定値ＤＴＨ１とを比較する（ステップＳ２５）。
【００２４】
Ｄ≦ＤＴＨ１の場合、燃料電池スタック１２から許容濃度以上の燃料ガスである水素ガスが漏れていないと判定し（ステップＳ２６）、ガス漏れ有フラグをＯＦＦに設定する（ステップＳ２７）。また、ステップＳ２６でガス漏れ判定が行われたため、始動時判定処理済フラグをＯＮに設定する（ステップＳ２８）。これらのガス漏れ有フラグおよび始動時判定処理済フラグは、フラグ記憶部３６に記憶される。
【００２５】
Ｄ＞ＤＴＨ１の場合には、燃料電池スタック１２から許容濃度以上の燃料ガスが漏れていると判定し（ステップＳ２９）、その判定結果を排出異常としてガス漏れ履歴記憶部３４に記憶する（ステップＳ３０）。次いで、ガス漏れ有フラグをＯＮに設定するとともに（ステップＳ３１）、始動時判定処理済フラグをＯＮに設定する（ステップＳ２８）。
【００２６】
一方、ガス漏れ履歴記憶部３４に既に排出異常としてのガス漏れ履歴が記憶されている場合（ステップＳ２４）、ガス漏れ判定部２８は、検出されたガス濃度Ｄと判定値記憶部３２に記憶された第１判定値ＤＴＨ１よりも小さい第２判定値ＤＴＨ２とを比較する（ステップＳ３２）。
【００２７】
Ｄ＞ＤＴＨ２の場合、燃料ガスの漏れが継続しており、排出される燃料ガスの濃度が高くなる可能性があるため、ガス漏れ有と判定し（ステップＳ２９）、排出異常の判定結果をガス漏れ履歴記憶部３４に記憶し（ステップＳ３０）、ガス漏れ有フラグおよび始動時判定処理済フラグをＯＮに設定する（ステップＳ３１、Ｓ２８）。
【００２８】
Ｄ≦ＤＴＨ２の場合には、ガス漏れ履歴が記憶されていたとしても、検出されたガス濃度Ｄが極めて低いため、ガス漏れ無しと判定し（ステップＳ３３）、ガス漏れ有フラグをＯＦＦに設定する（ステップＳ３４）。また、ステップＳ３３でガス漏れ判定が行われたため、始動時判定処理済フラグをＯＮに設定する（ステップＳ２８）。
【００２９】
以上のようにして、始動スイッチ３８が操作された直後における初期のガス漏れ判定処理が行われた後、ガス漏れ判定部２８は、燃料電池スタック１２がまだ始動状態になっていないため（ステップＳ２）、フラグ記憶部３６に記憶されているガス漏れ有フラグを確認する（ステップＳ３）。ガス漏れ有フラグがＯＮに設定されているときには、燃料電池制御部３０に対して燃料電池スタック１２の始動を禁止する禁止指令信号を出力する（ステップＳ４）。この場合、燃料電池制御部３０は、燃料ガス供給弁２２を閉弁状態に維持する。従って、燃料ガスが燃料電池スタック１２に供給されることやガス漏れが発生することがなく、また、燃料電池スタック１２による発電も行われない。
【００３０】
一方、ステップＳ３で確認したガス漏れ有フラグがＯＦＦの場合には、ガス漏れのおそれがないものと判断できるため、ガス漏れ判定部２８は、燃料電池制御部３０に対して燃料電池スタック１２の始動を許可する許可指令信号を出力する。燃料電池制御部３０は、この許可指令信号と始動スイッチ３８からの始動信号とに基づき、燃料ガス供給弁２２を開弁する（ステップＳ５）。この場合、燃料ガスが燃料ガス供給弁２２を介して燃料電池スタック１２のアノード電極１６に供給されることにより、発電が開始される（ステップＳ６）。
【００３１】
次に、再びガス漏れ判定処理が実行される（ステップＳ１）。この場合、図３に示すガス漏れ処理ルーチンのステップＳ２３において、始動時判定処理済フラグがＯＮに設定されていることが確認される。そこで、ガス漏れ判定部２８は、フラグ記憶部３６に記憶されているガス漏れ有フラグを確認する（ステップＳ３５）。この場合、ガス漏れ有フラグがＯＮに設定されていれば、ガス漏れ判定処理を終了する。
【００３２】
ガス漏れ有フラグがＯＦＦの場合、ステップＳ２１で検出したガス濃度Ｄと第１判定値ＤＴＨ１とを比較する（ステップＳ３６）。Ｄ＞ＤＴＨ１の場合には、燃料電池スタック１２から許容濃度以上の燃料ガスが漏れていると判定し（ステップＳ３９）、その判定結果を排出異常としてガス漏れ履歴記憶部３４に記憶する（ステップＳ４０）。次いで、ガス漏れ有フラグをＯＮに設定する（ステップＳ４１）。また、Ｄ≦ＤＴＨ１の場合には、ガス漏れ無しと判定し（ステップＳ３７）、ガス漏れ有フラグをＯＦＦに設定する（ステップＳ３８）。
【００３３】
次に、ステップＳ６において燃料電池スタック１２の発電が開始されている場合（ステップＳ２）、ガス漏れ有フラグを確認し（ステップＳ７）、ガス漏れ有フラグがＯＮに設定されているときには、燃料電池制御部３０に対して燃料電池スタック１２の発電を禁止する禁止指令信号を出力する。燃料電池制御部３０は、この禁止指令信号に基づき、燃料ガス供給弁２２を閉弁する（ステップＳ８）。従って、燃料電池スタック１２のアノード電極１６に対する燃料ガスの供給が停止され、発電が停止される（ステップＳ９）。また、ガス漏れ有フラグがＯＦＦの場合には（ステップＳ７）、発電状態が継続される（ステップＳ１０）。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、燃料電池スタック１２に対する燃料ガスとしての水素ガスの供給を制御することにより、許容以上の水素ガスを外部に排出することなく、燃料消費率を低く抑えて効率的に発電を行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガスの排出値と第１判定値との比較結果に従って燃料ガスの供給の可否を判定する一方、前回の判定結果が排出異常である場合には、前記第１判定値よりも小さい第２判定値を用いて燃料ガスの供給の可否を判定することにより、燃料ガスの供給の可否を適切に判定して制御することができる。従って、燃料ガスの排出量を抑えて燃料消費率を低下させることができるとともに、燃料電池を効率的に稼動させて起電力を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおけるガス漏れ判定ルーチンのフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおけるガス漏れ判定ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給制御装置          ２２…燃料ガス供給弁
２４…燃料ガスセンサ                ２６…ガス濃度算出部
２８…ガス漏れ判定部                ３０…燃料電池制御部
３２…判定値記憶部                  ３４…ガス漏れ履歴記憶部
３６…フラグ記憶部                  ３８…始動スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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