(57)【要約】【課題】  空気供給系に支障が生じても性能低下や水詰まりの発生を防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  コントローラ１５は、燃料電池の所定の運転条件において、電圧センサ９か検出した燃料電池電圧が所定値より低下していれば、基準電圧を回復するまでコンプレッサ２から燃料電池１への空気流量を増量する補正を行う。所定量空気を増量しても電圧回復がない場合には、コントローラ１５は、空気量の増量補正を行わない。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電状態に応じて定まる流量の酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料電池の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、を有する燃料電池システムにおいて、
燃料電池電圧を検出する電圧検出手段と、
所定の運転条件において、前記電圧検出手段が検出した燃料電池電圧が基準電圧より低い場合には、燃料電池電圧が基準電圧以上になるまで酸化剤ガス流量の増量補正を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、空気量を所定流量以上増加させても、燃料電池電圧が改善しない場合は、酸化剤ガス流量の補正制御を行わないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池電圧と基準電圧の差が所定値以上の場合に、燃料電池システムの異常を警告する警告手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池の出力不足を補う蓄電手段を備え、
前記制御手段は、前記酸化剤ガス流量の補正制御を行う前に、前記蓄電手段の充電状態を所定値以下に下げる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定の運転条件とは、システムの運転時間が所定時間を超えていることであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定の運転条件とは、燃料電池の出力が所定出力以上になっていることであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記所定の運転条件とは、運転者の指示があったことであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記所定の運転条件とは、高負荷運転が所定時間以上続いたことであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、空気供給系に漏れ等が生じても性能低下することなく運転継続可能な燃料電池システムに関する。
【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。
【０００３】
燃料電池は、経年変化により発電性能が劣化するので、性能変化が生じた場合にも適正な反応ガス利用率で運転を継続するため、反応ガスを供給した量に合わせて出力を設定する燃料電池システムの運転制御装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−２７３３５号公報（第４ページ、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにあっては、例えば空気系の漏れなどにより、燃料電池スタックの要求空気流量が増加している場合に、これを補正することができず、そのために実質的に燃料電池スタック内の空気供給流量が不足し、燃料電池スタック内で水つまりが起こり、急激な性能低下が起こる懸念があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料電池の発電状態に応じて定まる流量の酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池の発電状態に応じて定まる流量の燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池電圧を検出する電圧検出手段と、所定の運転条件において、前記電圧検出手段が検出した燃料電池電圧が基準電圧より低い場合には、燃料電池電圧が基準電圧以上になるまで酸化剤ガス流量の増量補正を行う制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、所定の運転条件において、燃料電池電圧が基準電圧に達しているか検出を行い、基準電圧より低い場合には、燃料電池電圧が基準電圧以上になるように酸化剤ガス流量の補正制御を行うようにした為、空気過剰率が足りないために燃料電池での発電効率が低下したり、燃料電池内での水つまりが発生することなどを防止することが可能な燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する各実施例は、燃料電池車両に好適な実施例である。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池１と、燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ２と、コンプレッサ２が供給する空気の圧力を検出する圧力センサ３と、燃料電池１から排出する空気の圧力を調整する圧力調整弁４と、燃料ガスとして水素を燃料電池１に供給する水素供給装置５と、水素供給装置５から供給する水素ガスの圧力を調整する圧力調整弁６と、燃料電池１から排出された水素と新規に供給する水素とを混合して燃料電池１に供給するエゼクタ（流体ポンプ）７と、燃料電池１に供給する水素の圧力を検出する圧力センサ８と、燃料電池１の発電電圧を検出する電圧センサ９と、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ１０と、燃料電池１の発電電力をバッテリ１２と負荷装置１３に分配するとともに燃料電池１の出力が不足する場合バッテリ１２からも負荷装置１３へ電力供給するように制御するパワーマネジャ１１と、充放電可能な２次電池であるバッテリ１２と、燃料電池１およびバッテリ１２の少なくとも一方から電力供給される負荷装置１３と、燃料電池システムの異常を報知する警告灯１４と、燃料電池システム全体を制御するコントローラ１５とを備えている。
【０００９】
燃料電池１には、燃料系および空気系の配管がそれぞれ接続されている。空気系は上流側から、空気を圧送するコンプレッサ２、燃料電池入口の空気圧力を検出する圧力センサ３が設けられ、燃料電池出口には圧力調整弁４が設けられる。
【００１０】
燃料系は上流から、水素供給装置５、圧力調整弁６、水素循環用のエゼクタ７、燃料電池入口の水素圧力を検出する圧力センサ８が設けられる。但し、燃料循環機構としては、エゼクタを用いず、モータ等の動力で駆動されるポンプを燃料循環路に設けてもよい。
【００１１】
コントローラ１５には、入力装置として、圧力センサ３，８、電圧センサ９，電流センサ１１が接続され、出力装置として、コンプレッサ２、圧力調整弁４，６、警告灯１４が接続されている。
【００１２】
コントローラ１５は、圧力センサ３，８、電圧センサ９，電流センサ１１のそれぞれの検出値を入力し、これらの入力値に基づいて運転状態を判定し、コンプレッサ２、圧力調整弁４，６、警告灯１４に制御信号を出力する。
【００１３】
パワーマネジャ１１は、燃料電池１の発電電力をバッテリ１２と負荷装置１３に分配するとともに燃料電池１の出力が不足する場合、バッテリ１２からも負荷装置１３へ電力供給するように制御する電力制御装置である。また、パワーマネジャ１１は、バッテリ１２の電圧および充放電電流を監視し、バッテリ１２の充電状態（ＳＯＣ）を算出して、コントローラ１５へ出力しているものとする。パワーマネジャ１１がＳＯＣ算出しない場合、バッテリ１２に電圧センサと電流センサとを設けて、コントローラ１５が直接バッテリ１２を監視して、ＳＯＣを算出するようにしてもよい。
【００１４】
バッテリ１２は、燃料電池の出力不足を補う蓄電手段であり、本実施例では、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電可能な２次電池を使用している。尚、２次電池に代えて、電気２重層コンデンサ等を蓄電手段として用いてもよい。
【００１５】
負荷装置１３は、本発明を燃料電池車両に適用した場合、車両駆動モータである。  
警告灯１４は、所定の運転条件における燃料電池出力電圧が基準電圧から所定値以上低下したことを警告するために、コントローラ１５によって点灯される警告灯である。尚、警告灯１４は、一つでもよいが、故障原因別に複数備えて、それぞれ原因によって点灯してもよい。実施例では、空気供給系とそれ以外の故障原因を判別し、個別の警告灯を点灯することにしている。
【００１６】
次に、実施例１におけるコントローラ１５の制御内容について、図２の制御フローチャートを参照して説明する。  
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１において、コントローラ１５は、前回空気補正のための制御を行ってからの経過時間：Ｔが所定時間：Ｓｔ以上となっているか否かを判断する。所定時間に達していない場合はフローを終了する。所定時間以上経過している場合はＳ２に進む。
【００１７】
Ｓ２において、コントローラ１５は、電圧センサ９、電流センサ１０から読み込んだ電圧値、電流値に基づいて燃料電池の出力Ｐを算出し、燃料電池の出力Ｐが、所定出力Ｓｐ以上になっているか否かを判定する。所定出力Ｓｐは、空気量補正制御を行っても燃料電池出力の変動率が一定値以下になる運転条件に設定する。これは、空気量補正制御時に燃料電池の出力が変化するため、燃料電池出力に対する出力変化分の比率を小さくして、運転性悪化を低減するためである。
【００１８】
また運転条件をある程度燃料電池出力の大きい範囲で設定するのは、図５の燃料電池電流電圧特性図に示すように、出力電流密度の大きい状態における空気過剰率の相違（または供給空気量不足）による燃料電池電圧の変動（または低下）が大きいため、空気増量による燃料電池出力電圧の回復を検出しやすいためである。
【００１９】
Ｓ３において、空気量補正制御を行う。空気量補正制御の詳細は、図３、図４の詳細フローチャートを参照して後述する。  
Ｓ４において、Ｓ３において補正した空気量データを基に、コントローラ１５が内蔵する書換可能メモリ中に記憶した空気量マップを補正して、終了する。空気量マップは、燃料電池の要求出力に対する供給空気量のマップである。
【００２０】
次に、図２のＳ３における空気量補正制御について、図３の詳細フローチャートを用いて説明する。  
まずＳ１１において、バッテリ１２の充電状態（充電量）：ＳＯＣを検出し、空気量補正制御を開始可能な時の所定充電量：Ｓｓと比較を行う。これは、燃料電池の空気供給量増加による電圧回復の有無を検出する運転条件において、運転性を悪化させないために、走行に必要な電力以上の電力を燃料電池に発電させ、使用しなかった電力をバッテリ１２で吸収するために所定の空き容量をバッテリ１２に確保するためである。
【００２１】
バッテリ１２のＳＯＣがＳｓ以下の場合はＳ１２に進み、Ｓｓ以上の場合はＳ１６においてＳＯＣを低減させるための放電をおこなう。  
Ｓ１２において、燃料電池の状態検出条件に燃料電池の運転条件を設定する。ここで設定する運転条件とは、燃料電池システムの運転時間が所定時間を超えたこと、或いは燃料電池の出力が所定出力（例えば定格出力の９０％）以上となったこと、或いは運転者から指示入力があったこと、或いは高負荷運転（例えば定格出力の８０％以上）が所定時間以上継続したこと等である。
【００２２】
Ｓ１２で設定した運転条件が検出されると、Ｓ１３において、電圧センサ９の電圧検出値である燃料電池電圧：ＣＳＡｖと基準電圧Ｓｖの比較を行い、燃料電池電圧ＣＳＡｖが基準電圧Ｓｖより低下しているか否かを判定する。ここで、基準電圧はＳｖは、出力電流に対応する基準電圧としてコントローラ１５中にマップとして記憶しているものとする。
【００２３】
Ｓ１３の判定で、ＣＳＡｖがＳｖ以上の場合は、空気量の補正の必要なしとしてフローを終了する。ＣＳＡｖがＳｖより小さい場合は、空気量補正が必要として、Ｓ１４に進む。
【００２４】
Ｓ１４において、供給空気量：Ｑに対して所定空気量に増量：Δｑを行う。Ｓ１５において、空気増量後のＣＳＡｖとＳｖを比較し、まだＳｖより低い場合はＳ１４に戻りさらに空気増量を行い、Ｓｖを超えた場合はフローを終了する。
【００２５】
このように本実施例では、所定の運転条件において、燃料電池電圧が基準電圧に達しているか検出を行い、基準電圧より低い場合には、燃料電池電圧が基準電圧以上になるように燃料電池総電圧が基準電圧以上となる空気過剰率まで空気流量を増加して、必要空気過剰率を見出す運転を行うことにより、空気流量の補正制御を行うようにした為、空気系からの洩れ量等による供給ガス流量の減少などによるＣＳＡへの要求空気流量の増加に対応することができる。
【００２６】
従って空気過剰率が足りないために燃料電池での発電効率が低下したり、燃料電池内での水つまりが発生することなどを防止することができる。  
また、システムの運転時間が所定時間を越えたときに空気量補正制御を行うこととした為、空気系の故障を確実に検知することが可能となった。
【００２７】
さらに、燃料電池出力が試験条件以上になったときに空気量補正制御を行うこととした為、運転性の悪化なく、空気系の故障を確実に検知することが可能となった。  
また、空気量補正制御を行う前に、バッテリＳＯＣを所定値以下に下げる制御を行うこととした為、走行に必要な電力以上の発電を行い、余った電力をバッテリで吸収することで、運転性の悪化なく、空気系の故障を確実に検知することが可能な燃料電池システムを提供可能となった。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２のシステム構成は、図１に示したシステム構成と同様である。また実施例２の概略フローチャートも図２に示した実施例１と同様である。
【００２９】
実施例２における空気量補正制御（図１のＳ３）について、図４の詳細制御フローチャートを参照して説明する。  
まずＳ２１において、バッテリ１２の充電量（ＳＯＣ）を検出し、補正制御時の所定充電量：Ｓｓと比較を行う。
【００３０】
これは、燃料電池の状態検出を行う条件において、運転性を悪化させないために、走行に必要な電力以上の電力を燃料電池に発電させ、使用しなかった電力を電池で吸収するために所定の容量をバッテリに確保するためである。バッテリＳＯＣがＳｓ以下の場合はＳ２２に進み、Ｓｓ以上の場合はＳ３１においてＳＯＣを低減させるための放電をおこなう。
【００３１】
Ｓ２２において、燃料電池の状態検出条件に燃料電池の運転条件を設定する。ここで設定する運転条件とは、燃料電池システムの運転時間が所定時間を超えたこと、或いは燃料電池の出力が所定出力（例えば定格出力の９５％）以上となったこと、或いは運転者から指示入力があったこと、或いは定格出力に近い高負荷運転（例えば定格出力の９０％以上）が所定時間以上継続したこと等である。
【００３２】
Ｓ２２で設定した運転条件が検出されると、Ｓ２３において、電圧センサ９の電圧検出値である燃料電池電圧：ＣＳＡｖと基準電圧Ｓｖの比較を行い、燃料電池電圧ＣＳＡｖが基準電圧Ｓｖより低下しているか否かを判定する。ここで、基準電圧はＳｖは、出力電流に対応する基準電圧としてコントローラ１５中にマップとして記憶しているものとする。
【００３３】
ＣＳＡｖがＳｖより大きい場合は、空気量の補正の必要なしとしてフローを終了する。ＣＳＡｖがＳｖより小さい場合は、空気量補正が必要として、Ｓ２４に進む。
【００３４】
Ｓ２４において、基準電圧Ｓｖ−燃料電池電圧ＣＳＡｖと、所定値：Ｄｖとの比較を行う。ＣＳＡｖの降下代が大きい場合は部品故障の可能性もあるためにこの比較を行う。Ｓｖ−ＣＳＡｖがＤｖより大きい場合はＳ２５へ進み、Ｓｖ−ＣＳＡｖがＤｖ以下の場合はＳ３２に進む。
【００３５】
Ｓ２５において、供給空気量：Ｑに対して所定空気量：Δｑを増量する制御を行う。  
Ｓ２６において、空気量増量後のＣＳＡｖとＳｖを比較し、まだＳｖより低い場合はＳ２７に進み、Ｓｖを超えた場合はＳ３７において空気系部品故障を表示するために警告灯１４の点灯を行う。これは、燃料電池の出力電圧が基準電圧から所定値以上低下していたが、空気量を増量することで出力電圧が基準電圧まで復活したのは空気系部品が故障し、空気漏れなどを起こしていると考えられるためである。
【００３６】
Ｓ２７において、空気増加量の積算を行う。  
Ｓ２８において、増加させた空気量：Ｇｑと最大増加量：Ｄｑの比較を行う。空気系部品の故障などで空気過剰率が低下している場合、空気量を増加させることで、燃料電池の出力電圧を回復させることができるが、出力電圧が低下している原因は、空気量不足とは限らない。そこで、空気量の最大増加量：Ｄｑまで空気量を増加させても出力電圧が回復しない場合、原因は空気系ではないと判断し、Ｓ２９において、空気量補正を行わない、即ち空気量補正前の空気量に戻す制御を行う。
【００３７】
Ｓ３０において、空気系部品以外に故障があるとして、空気系以外の故障を示す警告灯１４の点灯を行う。  
Ｓ３２からＳ３６の制御はＳ２５からＳ２９と同じであるため説明を省略する。  
ここの違いは、Ｓ２４において、基準電圧Ｓｖ−燃料電池電圧：ＣＳＡｖと所定値：Ｄｖの比較を行い、部品故障の可能性があるかどうかにある。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、空気量を所定値以上増加させても、燃料電池電圧が改善しない場合は空気系部品による故障によるものではないとして、空気流量の補正制御を行わないこととした為、むだに空気増量を行い燃費を悪化させることはない。
【００３９】
また、燃料電池電圧と基準電圧の差が所定値以上の場合には部品に故障があるとして警告することとした為、部品故障時に確実に運転者に認識してもらい、迅速に対応を行うことができる。
【００４０】
なお、本実施例では経過時間と運転出力によって、空気量補正制御を開始したが、運転者の指示によって制御を行うようにしても良い。そうすることによって、運転者の意思に反した燃料電池運転状態になることがない。また、運転者が指示するので、車両停止中などに制御を行うことができ、運転性悪化などを無くすことができる。
【００４１】
また、高負荷運転が所定時間以上続いたときに、空気量補正制御を行うようにしても良い。そうすることによって、高負荷条件において空気系部品に異常が生じた場合にすばやく対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１の制御動作を説明する概略フローチャートである。
【図３】実施例１における空気量補正制御を説明する詳細フローチャートである。
【図４】実施例２における空気量補正制御を説明する詳細フローチャートである。
【図５】空気過剰率の変化が燃料電池の電流電圧特性に及ぼす影響を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池
２…コンプレッサ
３…圧力センサ
４…圧力調整弁
５…水素供給装置
６…圧力調整弁
７…エゼクタ
８…圧力センサ
９…電圧センサ
１０…電流センサ
１１…パワーマネジャ
１２…バッテリ
１３…負荷装置
１４…警告灯
１５…コントローラ
【図１】
2005056760.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005056760.tif 000006
【図５】
2005056760.tif 000007