(57)【要約】【課題】  燃料電池内の水素不足を短期間で検出して、水素不足を解消させる。【解決手段】  負荷に取り込まれる負荷電流が増加して発電電圧が低下した時に（ステップＳ１）、現在の発電電圧から目標定常電圧となるまでの目標電圧低下応答軌道を作成し（ステップＳ２）、水素不足が発生した場合の実電圧の軌道と比較する（ステップＳ３）。そして、目標電圧低下応答軌道と実電圧との偏差が所定値となったら、燃料電池スタックの水素極の水素が不足していることを検出して、水素利用率低下処理（ステップＳ６）、空気流量低下処理（ステップＳ７）、加湿量低下処理（ステップＳ８）等を行って、燃料電池スタックの水素極の水素不足を解消する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを用いて発電し、発電電力が負荷に取り込まれる燃料電池と、
前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給手段とを備える燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、
前記負荷に取り込まれる電力が増加した時の前記燃料電池の発電電圧の変動状態に基づいて、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していること検出する水素量不足検出手段と、
前記水素量不足検出手段により前記燃料電池の水素極内の水素量の不足が検出された場合に、前記燃料電池の水素利用率を低下させる水素利用率低下制御手段と
を備え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】
前記水素量不足検出手段は、
前記負荷に取り込まれる電力が増加したことに応じて低下する前記燃料電池の目標発電電圧の変化を示す目標電圧軌道を演算する目標電圧軌道演算手段を備え、
前記負荷に取り込まれる電力が増加した時の前記燃料電池の発電電圧の変動状態を示す実軌道を検出し、当該検出した発電電圧の実軌道と、前記目標電圧軌道演算手段により演算された目標電圧軌道とを比較し、前記検出した発電電圧の実軌道が前記目標電圧軌道よりも遅い場合に、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出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】
前記水素量不足検出手段は、検出した発電電圧の実軌道と、前記目標電圧軌道演算手段により演算された目標電圧軌道との偏差を検出し、当該偏差が所定値よりも大きい場合に前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出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４】
前記目標電圧軌道演算手段は、前記負荷に取り込まれる電力が増加して定常状態になった後の前記燃料電池の発電電圧定常値を推定し、前記負荷に取り込まれる電力が増加開始した時の前記燃料電池の発電電圧と、前記発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、前記目標電圧軌道を作成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記目標電圧軌道演算手段は、前記負荷に取り込まれる電力が増加して定常状態になった後の前記燃料電池の発電電圧定常値を推定すると共に、前記負荷に取り込まれる電力が増加開始した時の前記燃料電池の発電電圧から前記発電電圧定常値となるまでの前記発電電圧の最低値を推定し、前記発電電圧の最低値と、前記発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、前記目標電圧軌道を作成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記水素利用率低下制御手段は、前記燃料電池の水素極のガスを放出するパージ弁の開度を大きくする制御、前記水素含有ガス供給手段から前記燃料電池の水素極に供給する水素量を増加させる制御、前記燃料電池の水素極の水素出口から排出された水素を再度水素入口に循環させる流量を増加させる制御、前記燃料電池の水素極内の水素圧力を上昇させる制御、前記負荷により取り込まれる電力を制限する制御のうち、何れかの制御を行う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７】
前記水素利用率低下制御手段は、前記空気供給手段により前記燃料電池の空気極に供給する空気流量を低減させる制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
前記水素利用率低下制御手段は、前記燃料電池の加湿量を低減させる制御、又は前記燃料電池の温度を上昇させる制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項９】
前記水素利用率低下制御手段により行われた何れかの制御の制御量が限界となった場合に、前記燃料電池の異常と判定する異常判定手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１０】
前記水素量不足検出手段は、前記燃料電池の空気極から排出されるガスの二酸化炭素濃度を検出すると共に、前記燃料電池の水素極から排出されるガスの二酸化炭素濃度を検出し、何れかの二酸化炭素濃度の検出結果に基づいて、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出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１１】
前記水素量不足検出手段により検出された前記燃料電池の水素極から排出されるガスの二酸化炭素濃度が第１所定値より高い場合に、前記燃料電池の異常と判定する異常判定手段を更に備え、
前記水素量不足検出手段は、前記燃料電池の水素極から排出されるガスの二酸化炭素濃度が第１所定値以下であって、前記燃料電池の空気極から排出されるガスの二酸化炭素濃度が前記第１所定値よりも高い第２所定値を越えた場合に、前記燃料電池の水素極内の水素量が不足していることを検出することを特徴とする請求項１０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、燃料電池に水素及び酸素を供給して燃料電池を発電させ、発電した電力を負荷に供給する燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば車両等の駆動トルクを発生させるために、燃料電池の水素極に水素ガスを供給すると共に、燃料電池の空気極に空気を供給して、空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電させる燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおける燃料電池としては、車両駆動用として固体高分子型のものが知られている。この固体高分子型の燃料電池は、水素極と空気極の間に膜状の固体高分子を設け、当該固体高分子を水素イオン伝導体として機能させている。
【０００３】
このような固体高分子型の燃料電池スタックは、発電反応として、水素極において水素ガスから水素イオンと電子とを生成する反応を行い、空気極において酸素ガスと水素イオンと電子から水を生成する反応を行う。このとき、水素イオンは固体高分子を空気極に向かって移動するが、固体高分子において水素イオンが移動するためには、固体高分子膜に水分を含ませておく必要がある。このため、燃料電池システムは、固体高分子を加湿して湿らせておく必要があり、燃料電池に供給する水素ガスを加湿装置で加湿して水素極に供給する技術が知られている。また、固体高分子を加湿する他の技術としては、ポーラスプレートに加湿用純水チャネルを設けて内部から加湿する技術も知られている。
【０００４】
また、従来より、固体高分子を加湿させるための有効な技術としては、燃料電池から使用されずに排出された水素ガスを燃料電池に再循環して再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池外部に接続した負荷が要求する消費電力を発電させるための水素量より幾分多めの水素を水素極に供給し、使用されずに水素極の水素出口から排出された水素を、循環水素として再度水素極の水素入口に戻して再利用する。
【０００５】
このような燃料電池システムでは、循環水素が水蒸気を多く含んでいるため、当該循環水素と水素タンクからの乾燥している水素とを混合させて水素極に供給することにより、水素極に供給する水素を加湿するようにしている。
【０００６】
このような水素循環形式の燃料電池システムでは、負荷に要求される発電量に応じた水素量に加えて、循環させる水素量がアノード電極に余分に通過する。このように、発電に必要な水素量よりも余分な水素量をアノード電極に供給することにより、燃料電池スタックを構成する全てのセルでの発電を高率的に行わせるようにしている。これは、負荷に要求される発電量に対応した水素量のみを供給すると、水素極の水素出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなり、発電効率が落ちることによる。
【０００７】
また、従来の燃料電池システムでは、水素極と同様の理由により、燃料電池スタックの空気極にも負荷に要求される発電量に応じた酸素量のみならず、少し余分に酸素を供給するようにしている。
【０００８】
このように、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給する原料量（水素、酸素）と燃料電池スタックで発電反応に使用される原料量との比、すなわち原料ストイキ比を通常は１以上としている。
【０００９】
このような燃料電池システムにおいて、負荷に供給する電力が過渡的に増加する時には、燃料電池スタックの反応に必要な水素量も過渡的に増加させる必要があるが、水素タンクから燃料電池スタックに水素の供給を行うため、水素の供給遅れが発生する。このため、燃料電池システムでは、負荷の電力取り出しタイミングよりも水素の供給が遅れることにより、燃料電池スタック内で水素不足を生じる可能性がある。
【００１０】
更に、従来の燃料電池システムでは、水素の燃費性能を向上させるために、水素循環装置で使用される消費電力の低減や、水素循環系に蓄積した窒素をパージして排出する際に同時に排出される水素量を低減して燃料電池スタックを発電運転させるものがある。このような燃料電池システムでは、排出される水素量をできるだけ低減するために、燃料電池スタックを構成する全セルに均等に水素が供給される範囲内で水素のストイキ比をできるだけ低減している。このため、従来の燃料電池システムでは、水素の供給遅れと相まって、より水素不足を生じやすくなるという問題がある。
【００１１】
このように、燃料電池システムでは、燃料電池スタック内で水素不足が生じると、電極触媒が腐食を起こし不可逆的な劣化ダメージを与える可能性がある。これに対し、燃費性能を向上させると共に燃料電池スタック内の水素不足を抑制するためには、水素のストイキ比を低減すると共に水素不足をできるだけ早く検出して劣化を防止するようにする必要がある。
【００１２】
このような水素不足を防止するための従来の技術としては、下記の特許文献１に記載されたものが知られている。この従来の技術では、燃料電池スタックを構成するセルの発電電圧うち、最も低い発電電圧が所定下限電圧以下の場合に、当該最低セル電圧が所定下限電圧より大きくなるように燃料電池スタックに供給する水素量を所定量増加させるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−１６４０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述の特許文献１に記載された技術では、燃料電池スタック内に水素不足が発生して触媒に腐食が発生している場合には、負荷に取り出される電流が増加することに応じたセル電圧の低下速度が遅くなるため、触媒を劣化させている状態が長くなる。すなわち、上述の特許文献１に記載された技術では、セル電圧が所定下限電圧まで低下するまでにある程度の時間を要し、水素不足と判断して水素供給量を増加するタイミングが遅くなる。この結果、燃料電池スタックの触媒劣化が進む期間が長くなり、触媒劣化の度合いが大きくなるという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池内の水素不足を短期間で検出して、水素不足を解消させることができる燃料電池システムの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、水素含有ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを用いて発電し、発電電力が負荷に取り込まれる燃料電池と、燃料電池に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、燃料電池に空気を供給する空気供給手段とを備える燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、負荷に取り込まれる電力が増加した時に、水素量不足検出手段により、燃料電池の発電電圧の変動状態に基づいて燃料電池の水素極内の水素量が不足していること検出すると、水素利用率低下制御手段により、燃料電池の水素利用率を低下させて上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、負荷に取り込まれる電力が増加した時に、燃料電池の発電電圧の変動状態に基づいて燃料電池の水素極内の水素量が不足していること検出し、燃料電池の水素利用率を低下させるので、負荷に取り込まれる電力が増加した時の発電電圧の低下の仕方が、水素不足が発生している時と水素不足が発生していない時とで異なることを利用して水素不足を検出することができ、燃料電池内の水素不足を短期間で検出して、水素不足を解消させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。
【００１９】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１に発電反応を行わせ、当該燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷装置２に供給することにより、車両の走行トルクを発生させる。
【００２０】
負荷装置２は、例えばインバータや駆動モータ等からなり、インバータにより燃料電池スタック１にて発電した電力を取り出し、燃料電池スタック１にて発電した電力を使用して駆動モータを駆動させる。また、この負荷装置２は、後述する燃料電池スタック１を発電させるための補機等と接続され、当該補機等に電力供給をする。
【００２１】
燃料電池スタック１は、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスとして空気が供給される空気極と燃料ガスとして水素が供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過してカソード極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００２２】
また、この燃料電池システムでは、水素循環系、空気供給系、冷却媒体循環系及び加湿用純水循環系を備える。これらの各系は、後述するコントローラ２０により動作が制御される。
【００２３】
水素循環系は、燃料電池スタック１の水素入口と接続された水素供給経路Ｌ１に水素タンク３、水素圧力調整弁４及びアクチュエータ５が設けられ、燃料電池スタック１の水素出口と水素供給経路Ｌ１とを接続する水素循環経路Ｌ２に水素循環ポンプ６が設けられ、水素循環経路Ｌ２から分岐した水素排出経路Ｌ３にパージ弁７及びアクチュエータ８が設けられて構成されている。
【００２４】
このような水素循環系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、水素タンク３に貯蔵しておいた水素を、水素圧力調整弁４の開度が調整されることにより水素ガス圧力を調整して、燃料電池スタック１の水素入口に送る。そして、燃料電池スタック１は、一部の水素を発電反応に使用し、発電反応に使用されなかった一部の水素を出口から水素循環経路Ｌ２に排出する。この燃料電池スタック１の水素出口から排出された水素ガスは、水素循環経路Ｌ２を介して水素循環ポンプ６に取り込まれ、循環水素として再度水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１の水素入口に送られる。ここで、循環水素は、水分を含んでおり、水素タンク３からの水素ガスと混合されて燃料電池スタック１に供給されることにより、固体高分子電解質膜を加湿させる。
【００２５】
このとき、コントローラ２０では、水素圧力制御信号をアクチュエータ５に供給することによりアクチュエータ５を制御して水素圧力調整弁４の開度を調整すると共に、水素循環ポンプ制御信号を水素循環ポンプ６に供給することにより水素循環ポンプ６の回転数を制御する。これにより、コントローラ２０では、燃料電池スタック１への水素流量及び水素圧力を制御すると共に、燃料電池スタック１への循環水素量を制御する。
【００２６】
また、この水素循環系では、水素供給経路Ｌ１及び水素循環経路Ｌ２内のガスをパージするに際して、コントローラ２０からパージ弁制御信号がアクチュエータ８に供給され、アクチュエータ８によりパージ弁７を開動作させる。これにより、水素循環系では、水素循環経路Ｌ２に蓄積していた水素以外の不純物等を外部に放出する。
【００２７】
空気供給系は、燃料電池スタック１の空気入口と接続された空気供給流路Ｌ４に空気供給装置９が設けられ、燃料電池スタック１の空気出口と接続された空気排出経路Ｌ５に空気圧力調整弁１０及びアクチュエータ１１が設けられて構成されている。このような空気供給系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、空気供給装置９により外気を取り込んで水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に空気を供給し、燃料電池スタック１から排出された空気を空気圧力調整弁１０を介して排出する。
【００２８】
このとき、コントローラ２０は、例えばコンプレッサモータにコンプレッサ制御信号を供給することにより空気供給装置９を構成するコンプレッサの回転数を制御して燃料電池スタック１に供給する酸素流量を制御すると共に、アクチュエータ１１に空気圧力制御信号を供給することにより空気圧力調整弁１０の開度を調整して空気圧力を制御する。
【００２９】
冷却媒体循環系は、燃料電池スタック１内の冷却媒体流路に接続された冷却媒体循環経路Ｌ５に冷却媒体ポンプ１２、ラジエータ１３及びラジエータファン１４が設けられて構成されている。このような冷却媒体循環系では、燃料電池スタック１が発電している時に、燃料電池スタック１の温度を所定温度範囲内とするように動作する。すなわち、冷却媒体循環系では、冷却媒体ポンプ１２により冷却媒体を取り込んで燃料電池スタック１の冷却媒体入口に吐出し、燃料電池スタック１内を通過して昇温した冷却媒体をラジエータ１３に導入し、ラジエータファン１４からラジエータ１３への送風によって冷却媒体を冷却する。このとき、コントローラ２０では、冷却媒体ポンプ１２に冷媒ポンプ制御信号を供給することにより、冷却媒体の循環量を制御すると共に、ラジエータファン制御信号をラジエータファン１４に供給することによりラジエータファン１４の回転数を調整して、ラジエータ１３の冷却能力を制御する。
【００３０】
加湿用純水循環系は、燃料電池スタック１の加湿用純水入口に接続された加湿用純水経路Ｌ６に、加湿用純水ポンプ１５、ガスセパレータ１６が設けられて構成されている。このような加湿用純水循環系では、燃料電池スタック１が発電しているときに、固体高分子電解質膜を加湿させるように動作する。すなわち、加湿用純水循環系では、加湿用純水ポンプ１５により加湿用純水を取り込んで燃料電池スタック１の加湿用純水入口に吐出して、燃料電池スタック１内を通過させてガスセパレータ１６に送る。そして、ガスセパレータ１６では、純水に溶け込んだ水素ガスや酸素を分離して、再度純水を加湿用純水ポンプ１５に送る。このとき、コントローラ２０では、加湿用純水ポンプ制御信号を加湿用純水ポンプ１５に供給することにより、加湿用純水ポンプ１５の回転数を制御して燃料電池スタック１を通過させる純水量を制御する。
【００３１】
更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１を構成する各セルが発電するセル電圧を検出するセル電圧センサ１７、燃料電池スタック１と負荷装置２とを接続する電力供給ラインに設けられたスタック電流センサ１８及びスタック電圧センサ１９を備える。これら各センサ１７〜１９により検出された値は、センサ信号としてコントローラ２０に読み込まれる。
【００３２】
コントローラ２０は、燃料電池スタック１の発電や負荷装置２の動作を制御したり、後述の水素利用率低下制御処理を実行するためのプログラムがＲＯＭ（Read Only Memory）等に記憶され、当該ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）により実行することで、上述の各部を制御する。
【００３３】
このコントローラ２０は、例えば外部から駆動モータを駆動させるトルク発生要求を入力すると、当該トルク発生要求を満たすために必要な発電量を発電させるように上述の水素循環系、空気供給系、冷却媒体循環系及び加湿用純水循環系を制御する。また、このコントローラ２０は、燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷装置２に供給して、駆動モータを動作させるように負荷装置２を制御する。このとき、コントローラ２０では、スタック電流センサ１８及びスタック電圧センサ１９からのセンサ信号を取り込み、トルク発生要求に従った負荷電流を取り出すようにインバータを制御する負荷制御信号を負荷装置２に供給する。
【００３４】
更に、このコントローラ２０では、燃料電池スタック１内の触媒電極の劣化を抑制するために、トルク発生要求に応じた発電量を発電させるための水素量に対して燃料電池スタック１内の水素量が不足していることを検出し、当該水素不足を解消する処理を行う。すなわち、コントローラ２０では、燃料電池スタック１の水素極内に多量の水素ガスを供給して、水素極に供給する水素量に対する発電反応に使用される水素量の割合を少なくして、燃料電池スタック１での水素利用率を低下させる水素利用率制御処理を行う。
【００３５】
［水素利用率低下制御処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、コントローラ２０による水素利用率低下制御処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。
【００３６】
この水素利用率低下制御処理は、燃料電池スタック１で発電を行わせているときであって、例えば外部から要求されるトルク発生量が増加して負荷装置２により取り出す負荷電力を増加させる場合、すなわち負荷装置２により取り込む負荷電流を増加させることにより負荷電圧が低下する場合にステップＳ１以降の処理が開始される。
【００３７】
先ずステップＳ１においては、コントローラ２０により、負荷装置２が燃料電池スタック１から取り出す負荷電流の取り出しタイミング（負荷取り出し応答）を決定する。ここで、要求されるトルク発生量が増加すると、燃料電池スタック１に供給する空気量及び水素ガス量を増加させる必要があるが、空気供給タイミングより負荷電流の取り出しタイミングが早いと過渡的に空気不足を起こして発電電圧が低下しすぎる可能性があり、逆に空気供給タイミングより負荷電流の取り出しタイミングが遅いと目標とする発電量を満たすことができない時間が長くなり、図示しないバッテリなどの２次電池からの持ち出し電力が多くなる。
【００３８】
したがって、コントローラ２０では、負荷電流の取り出しタイミングを、空気供給装置９から燃料電池スタック１内に増加分の空気が到達する空気供給タイミングと同じタイミングとすることにより、空気供給応答と同じ応答で負荷電流を取り出すように負荷装置２のインバータを制御する。このとき、コントローラ２０では、空気供給装置９にコンプレッサ制御信号を供給してから実際に燃料電池スタック１内に空気が導入されるまでの時間を示す空気供給応答を予め測定して記憶しておき、当該空気供給応答と同じタイミングとなるように負荷電流の取り出しタイミングを制御する。
【００３９】
次のステップＳ２においては、コントローラ２０により、負荷装置２に負荷電流が増加して取り込まれることにより、図３に示すように、現在の負荷電圧から、目標とする負荷電圧まで低下する応答を示す軌道（目標電圧低下応答軌道）を作成する。このとき、コントローラ２０は、負荷電流を増加開始した後に、要求されたトルク発生量を発生させる負荷電流を取り出す定常状態となった場合に、当該定常状態の負荷電流となったときの目標とする負荷電圧（目標定常電圧）を推定する。そして、コントローラ２０では、スタック電圧センサ１９からのセンサ信号を読み込むことにより現在の負荷電圧を取得し、当該現在の負荷電圧から目標定常電圧となるまでの軌道を所定の時定数を使用することにより演算して、目標電圧低下応答軌道を作成する。
【００４０】
次のステップＳ３においては、コントローラ２０により、ステップＳ１にて負荷電流を増加させたことによって負荷電圧が低下したことにより、スタック電圧センサ１９により検出した負荷電圧（実負荷電圧）と、ステップＳ２にて作成した目標電圧低下応答軌道との偏差を計算して、当該偏差が所定値を越えたか否かを判定する。このとき、コントローラ２０では、スタック電圧センサ１９により検出する実負荷電圧の計測開始時間がｔ１以降に設定されている。
【００４１】
ここで、燃料電池スタック１内で水素不足が発生している場合には、図３に示すように、目標電圧低下応答軌道よりも実負荷電圧が低下する速度が遅く、偏差が増加する。したがって、コントローラ２０では、偏差が所定値を越えたと判定した場合にはステップＳ６に処理を進めて水素不足を解消する処理に移行し、偏差が所定値を越えていないと判定した場合にはステップＳ４に処理を進める。
【００４２】
ステップＳ４においては、コントローラ２０により、前回の水素利用率低下制御処理において水素不足が検出されて、当該水素不足を解消する処理として負荷装置２により取り出す負荷電流に制限を与えているか否かを判定する。そして、コントローラ２０では、前回の処理にて、取り出す負荷電流に制限を与えていると判定した場合にはステップＳ５に処理を進め、取り出す負荷電流に制限を与えていないと判定した場合には処理を終了する。
【００４３】
ステップＳ５においては、コントローラ２０により、ステップＳ３にて水素不足が発生していないことを判定したことに応じて、水素不足を解消するための負荷電流の取り出し制限を解除する負荷制御信号を負荷装置２に供給して、処理を終了する。これにより、燃料電池システムでは、水素不足を解消するための制御から、要求されたトルク発生量に応じた負荷電流を負荷装置２により取り出す制御に戻す。
【００４４】
一方、ステップＳ３にて水素不足が発生していると判定した後のステップＳ６〜ステップＳ８においては、コントローラ２０により、燃料電池スタック１の水素極での水素濃度を増加させて、供給した水素量に対する発電に利用する水素量の割合（水素利用率）を低下させる処理を行う。
【００４５】
ステップＳ６においては、コントローラ２０により、水素循環ポンプ６の回転数を増加させる補正処理、水素圧力調整弁４の開度を大きくして水素供給量を増加させる補正処理、燃料電池スタック１の水素極の水素圧力を増加させる補正処理、燃料電池スタック１から取り出す負荷電流を制限する処理、パージ弁７の開度を大きくして水素極を通過する水素量を増加させる処理のうち、何れかの処理を行う。
【００４６】
本例においては、コントローラ２０は、短時間で水素利用率を低下させるために、水素循環ポンプ６の回転数を増加させる処理及び水素圧力調整弁４の開度を大きくして水素供給量を増加させる補正処理を行うことにより水素極での水素濃度を増加させ、更に、燃料電池スタック１から取り出す負荷電流を制限する処理を行うことにより、水素極で発電に使用される水素量の割合を低減する。これにより、コントローラ２０では、水素極での水素濃度が増加する効果と、水素極での水素消費量が低減する効果との相乗効果により水素利用率を低下させる。
【００４７】
また、コントローラ２０では、水素極での水素供給量を短時間にて増加させるために、水素圧力調整弁４の開度を大きくすると同時に、パージ弁７の開度を増加させることにより、燃料電池スタック１の水素入口と水素出口との圧力差を拡大させて、一気に水素極を通過する水素量を増加させても良い。
【００４８】
次のステップＳ７においては、コントローラ２０により、燃料電池スタック１の空気極に供給する空気量を、空気極でのガス圧力と水素極でのガス圧力との差圧があまり大きくならない範囲内で、所定量だけ低減するように空気供給装置９を制御する。これにより、コントローラ２０では、空気極から水素極にクロスオーバする窒素量及び酸素量を抑制して、水素極での水素濃度が希釈されることを抑制して、水素利用率の上昇を抑制する。
【００４９】
次のステップＳ８においては、コントローラ２０により、固体高分子電解質膜の加湿量を低減させる。これにより、コントローラ２０では、固体高分子電解質膜に含まれる純水量を低減し、純水に溶けて空気極から水素極にクロスオーバする窒素量及び酸素量を抑制すると共に、純水に溶けて水素極から空気極にクロスオーバする水素量を抑制して、水素極の水素濃度が希釈されて、水素利用率が上昇することを抑制する。
【００５０】
このとき、コントローラ２０では、冷却媒体の温度又は流量を制御して、燃料電池スタック１の動作温度を、予め設定しておいた所定量ΔＴ１だけ高くする。具体的には、コントローラ２０は、冷却媒体をラジエータ１３にて熱交換させるラジエータファン１４の回転数を低下させる処理、加湿用純水流量を予め設定しておいた所定量ΔＦ１だけ減らすように加湿用純水ポンプ１５の回転数を低下させる処理を行う。
【００５１】
次のステップＳ９においては、コントローラ２０により、ステップＳ６にて水素利用率を低下させた結果、当該水素利用率を低下させる処理すなわち制御量が、限界に達していないか否かを判定する。すなわち、コントローラ２０では、水素循環ポンプ６の回転数が限界値に達したか否か、水素圧力調整弁４の開度が限界値に達したか否か、燃料電池スタック１の水素極の水素圧力が限界値に達したか否か、燃料電池スタック１から取り出す負荷電流の低下幅が限界値に達したか否かを判定して、何れかが限界値に達している場合には、ステップＳ１０に処理を進める。
【００５２】
また、コントローラ２０では、ステップＳ６では水素ストイキ比を上昇させる処理を行っているが、ステップＳ９において、水素ストイキ比が予め設定しておいた限界値に達したか否かを判定して、水素利用率を低下させる処理が、処理限界に達していないか否かを判定しても良い。
【００５３】
そして、ステップＳ１０においては、コントローラ２０により、ステップＳ９おいて水素利用率を低下させる処理が処理限界に達した場合であっても水素不足が解消されないと判定して、電極触媒に劣化が発生していることを提示する異常劣化警報を行う。具体的には、コントローラ２０は、図示しないインジケータ等の表示機構を動作させることにより、異常劣化警報を行う。
【００５４】
また、この水素利用率低下制御処理においては、ステップＳ１において空気供給応答と負荷電流の取り出し応答とを略同タイミングとする制御を行ったが、このような制御を行わずにステップＳ１にて負荷電流の取り出しを開始した場合には、図４に示すような処理を行う。この図４に示す水素利用率低下制御処理では、トルク発生要求が発生してからできるだけ短時間で要求されたトルクを発生させるために、空気供給応答よりも早く負荷電流を取り出す場合である。
【００５５】
このような水素利用率低下制御処理では、ステップＳ２にて目標電圧低下応答軌道を作成するに際して、現在の負荷電圧から発電電圧定常値となるまでの最低値である過渡最低値を演算する。
【００５６】
すなわち、要求されるトルクを発生させるための発電量に応じた空気が燃料電池スタック１の空気極に供給される前に、要求されるトルクを発生させるための負荷電流を取り出した場合には空気極内の酸素量が不足し、図５に示すように、時刻ｔ２にて発電電圧定常値よりも低い発電電圧（過渡最低値）となる。これは、要求されるトルクを発生させるための電力を取り出すためには過剰な負荷電流を取り出す必要があることによる。
【００５７】
そして、このステップＳ２において、コントローラ２０では、現在の負荷電圧から過渡最低値となるまでの目標電圧低下応答軌道を所定の時定数を用いて演算し、過渡最低値から時刻ｔ３にて発電電圧定常値となるまでの目標電圧低下応答軌道を所定の時定数を用いて演算する。
【００５８】
次のステップＳ１１〜ステップＳ１３は、空気不足が影響したときの発電電圧の低下が発生すると、水素不足に起因して発電電圧の低下が遅くなることが明確にならないため、目標電圧低下応答軌道と、実際の発電電圧との偏差を求める時刻を調整する。
【００５９】
ステップＳ１１においては、コントローラ２０により、ステップＳ２にて求めた過渡最低値が発電電圧定常値よりも小さいか否かを判定し、過渡最低値が発電電圧定常値よりも小さいと判定した場合、すなわち空気不足が発生している場合にはステップＳ１２に処理を進め、過渡最低値が発電電圧定常値よりも小さくないと判定した場合、すなわち空気不足が発生していない場合にはステップＳ１３に処理を進める。
【００６０】
ステップＳ１２においては、コントローラ２０により、過渡最低値から発電電圧定常値となるまでの目標電圧低下応答軌道を用いて後のステップＳ３での処理に使用するために、図５に示すような過渡最低値から発電電圧定常値となるまでの時間である第１所定時間を電圧計測開始時間とする。これにより、コントローラ２０では、第１所定時間（時刻ｔ２〜時刻ｔ４）においてスタック電圧センサ１９により検出した実負荷電圧をステップＳ３での処理に使用することを設定する。
【００６１】
一方、ステップＳ１３においては、コントローラ２０により、ステップＳ１１の判定により空気不足が発生しておらず図３に示すような目標電圧低下応答軌道を用いてステップＳ３の処理を行うために、第１所定時間よりも早い第２所定時間（時刻ｔ１）を電圧計測開始時間とする。これにより、コントローラ２０では、第２所定時間においてスタック電圧センサ１９により検出した実負荷電圧をステップＳ３での処理に使用すると設定する。
【００６２】
そして、ステップＳ３においては、ステップＳ１２又はステップＳ１３において設定された目標電圧低下応答軌道及び電圧計測開始時間に従って、目標電圧低下応答軌道とスタック電圧センサ１９にて検出した実負荷電圧との偏差を求める処理を行って、以降の処理を行う。
【００６３】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、負荷装置２により取り出す負荷電流が増加した時の実負荷電圧に基づいて水素不足が発生しているか否かを検出して、水素不足が発生していると判定した場合には、水素利用率を低下させて水素不足を解消することができ、水素不足に起因する燃料電池スタック１の触媒劣化を防止することができる。
【００６４】
また、この燃料電池システムによれば、セル電圧によって水素不足を検出すること無く、随時発生する負荷電流が増加した場合の実負荷電圧に基づいて水素不足を検出することができ、燃料電池スタック１内の水素不足を短期間で検出して水素不足を解消させることができ、燃料電池スタック１の触媒劣化を確実に防止することができる。
【００６５】
更に、この燃料電池システムによれば、水素不足を検出するに際して、目標電圧低下応答軌道を作成し、スタック電圧センサ１９により検出した実負荷電圧が目標電圧低下応答軌道よりも遅い場合に、水素不足が発生していることを検出するので、水素不足を短時間で検出して触媒劣化期間を短縮することができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、水素不足が発生している場合には、実負荷電圧の低下が遅くなるため実負荷電圧の異常低下のみで水素不足を判断するようにすると水素不足の検出が遅くなって触媒劣化時間が長くなることを防止することができる。
【００６６】
更にまた、この燃料電池システムによれば、実負荷電圧の実軌道と、目標電圧低下応答軌道との偏差を検出し、当該偏差が所定値よりも大きい場合に水素不足が発生していることを検出するので、水素不足による燃料電池スタック１の触媒に劣化が発生していることを確実に検出することができる。
【００６７】
更にまた、この燃料電池システムによれば、負荷装置２に取り込まれる電力が増加して定常状態になった後の発電電圧定常値を推定し、負荷装置２に取り込まれる電力が増加開始した時の実負荷電圧と、発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、目標電圧低下応答軌道を作成するので、発電電圧定常値となるまでの間に燃料電池スタック１の水素不足を検出することができ、短時間で水素不足を検出することができる。
【００６８】
更にまた、この燃料電池システムによれば、発電電圧定常値、過渡最低値を推定し、過渡最低値と発電電圧定常値との間の目標発電電圧を所定の時定数により演算して、目標電圧低下応答軌道を作成するので、過渡的な空気不足による過渡的な電圧低下を考慮した目標電圧低下応答軌道を作成できる。すなわち、負荷電流の取り出しタイミングが空気供給タイミングよりも早い場合には燃料電池スタック１内で過渡的な空気不足を起こして過渡的に電圧低下して、水素不足に起因する電圧変化が不明確になるが、空気不足に起因する過渡的な電圧低下時間経過後から実負荷電圧と目標電圧との偏差を求めることができるので、空気不足による電圧低下と水素不足による電圧低下とを確実に区別して、正確に水素不足を検出することができる。
【００６９】
更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために、空気圧力調整弁１０の開度を大きくする制御、空気供給装置９から燃料電池スタック１に供給する水素量を増加させる制御、燃料電池スタック１の水素出口から排出された水素を再度水素入口に循環させる流量を増加させる制御、燃料電池スタック１の水素圧力を上昇させる制御、負荷装置２により取り込まれる電力を制限する制御のうち、何れかの制御を行うので、燃料電池スタック１内での水素量を増加させて、発電に利用する水素量を低減させて水素不足を解消し、触媒劣化を防止することができる。
【００７０】
更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために、燃料電池スタック１に供給する空気流量を低減させる制御を行うので、空気極から水素極にクロスオーバする窒素及び酸素量を低減させることができ、水素極の水素濃度の低下を抑制することにより、更に効率的に水素不足を解消して触媒劣化を抑制することができる。
【００７１】
更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために、燃料電池スタック１の加湿量を低減させる制御、又は燃料電池スタック１の温度を上昇させる制御を行うので、固体高分子電解質膜の水分に水素が溶け込んで空気極にクロスオーバする量を低減すると共に、固体高分子電解質膜の水分に酸素及び窒素が水素に溶け込んで水素極にクロスオーバする量を低減することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、水素極の水素濃度の低下を抑制することにより、更に効率的に水素不足を解消して触媒劣化を抑制することができる。
【００７２】
更にまた、この燃料電池システムによれば、水素利用率を低下させるために行った何れかの制御が、制御量の限界となった場合に燃料電池スタック１の異常と判定して通知するので、水素不足が効率的に解消できずに、触媒劣化時間が長くなって触媒が異常に劣化していることを通知することができる。
【００７３】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号、同一ステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７４】
第２実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、燃料電池スタック１と空気圧力調整弁１０との間の空気供給流路Ｌ４に排空気用ＣＯ２（二酸化炭素）濃度センサ３１を設け、燃料電池スタック１とパージ弁７との間の水素排出経路Ｌ３に排水素用ＣＯ２濃度センサ３２を備えた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００７５】
このような燃料電池システムでは、負荷装置２により取り出される負荷電流が増加した場合に、コントローラ２０により、排空気用ＣＯ２濃度センサ３１及び排水素用ＣＯ２濃度センサ３２のうち、少なくとも何れかのセンサ信号を入力して、燃料電池スタック１の水素極内の水素が不足していることを検出する。
【００７６】
すなわち、燃料電池システムでは、図７に水素利用率低下制御処理のフローチャートを示すように、目標電圧低下応答軌道を作成した後のステップＳ２１において、コントローラ２０により、排水素用ＣＯ２濃度センサ３２により検出しているセンサ信号を読み込む。そして、コントローラ２０では、排水素中のＣＯ２濃度が予め設定した第１所定値以下か否かを判定する。
【００７７】
ここで、水素極内で水素不足が発生しているときには、触媒を担持しているカーボンサポートのカーボンと水とが反応して劣化が起こり、当該劣化反応によりＣＯ２が発生する。したがって、燃料電池システムでは、水素不足を検出するために燃料電池スタック１から排出される排空気中、排水素中のＣＯ２濃度を検出する。
【００７８】
また、水素極に水素不足が発生している場合、先ずカソード（空気極）側の触媒が劣化し始め、水素極に達する。したがって、ステップＳ２１において、排水素中のＣＯ２濃度が第１所定値以下である場合にはステップＳ２２に処理を進めるが、排水素中のＣＯ２濃度が第１所定値以下でないことを判定した場合には、空気極での触媒劣化が進行していると判定して、ステップＳ２３に処理を進めて、異常劣化警報を行う。この第１所定値は、空気極の触媒劣化を警報する必要がある時の水素極のＣＯ２濃度が、システム設計時等に予め測定されて設定されている。
【００７９】
ステップＳ２２においては、コントローラ２０により、排空気用ＣＯ２濃度センサ３１により検出しているセンサ信号を読み込む。そして、コントローラ２０では、排空気中のＣＯ２濃度が、第１所定値よりも高い第２所定値を越えているか否かを判定する。そして、コントローラ２０では、排空気中のＣＯ２濃度が第２所定値を越えていると判定した場合には水素不足が発生していると判定してステップＳ６以降に処理を進め、排空気中のＣＯ２濃度が第２所定値を越えていないと判定した場合には水素不足が発生していないと判定してステップＳ４以降に処理を進める。ここで、第２所定値は、水素極に水素不足が発生したことにより空気極でＣＯ２が発生して水素不足と判定するＣＯ２濃度が予め設定されている。
【００８０】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排空気中のＣＯ２濃度、排水素中のＣＯ２濃度の何れかを検出して、水素量が不足していることを検出することができるので、触媒が劣化し始めることを検出することにより水素不足が発生し始めることを検出することにより、更に短時間で水素不足を検出することができる。
【００８１】
また、この燃料電池システムによれば、水素不足により触媒劣化が開始されてＣＯ２が水素極に達した場合には、触媒劣化が進行していると判定して異常劣化警報を行うことができ、短時間で触媒劣化を通知することができる。
【００８２】
なお、図７に示した水素利用率低下制御処理では、排空気中のＣＯ２濃度が第２所定値を越えている場合にのみ水素利用率を低下させる処理を行ったが、排水素中のＣＯ２濃度が第１所定値を越えている場合であっても、水素利用率を低下させる処理を行うことにより、触媒劣化の進行を抑制することができる。
【００８３】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる水素利用率低下制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】空気供給タイミングと負荷電流の取り出しタイミングとを略同時としたときの目標電圧低下応答軌道及び水素不足が発生した場合の発電電圧の低下の様子を示す図である。
【図４】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる他の水素利用率低下制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】空気供給タイミングが負荷電流の取り出しタイミングより遅いときの目標電圧低下応答軌道及び水素不足が発生した場合の発電電圧の低下の様子を示す図である。
【図６】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによる水素利用率低下制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８５】
１  燃料電池スタック
２  負荷装置
３  水素タンク
４  水素圧力調整弁
５，８，１１  アクチュエータ
６  水素循環ポンプ
７  パージ弁
９  空気供給装置
１０  空気圧力調整弁
１２  冷却媒体ポンプ
１３  ラジエータ
１４  ラジエータファン
１５  加湿用純水ポンプ
１６  ガスセパレータ
１７  セル電圧センサ
１８  スタック電流センサ
１９  スタック電圧センサ
２０  コントローラ
３１  排空気用ＣＯ２濃度センサ
３２  排水素用ＣＯ２濃度センサ
Ｌ１  水素供給経路
Ｌ２  水素循環経路
Ｌ３  水素排出経路
Ｌ４  空気供給流路
【図１】
2005093111.tif 000003
【図２】
2005093111.tif 000004
【図３】
2005093111.tif 000005
【図４】
2005093111.tif 000006
【図５】
2005093111.tif 000007
【図６】
2005093111.tif 000008
【図７】
2005093111.tif 000009