(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
燃料ガス供給ラインを介して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給ラインを通流する燃料ガスの圧力を、前記燃料ガス流路の圧力として検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池の発電電流を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料電池システムであって、
前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス圧力以下である場合、システムが異常であると判定する異常判定部をさらに備え、
前記異常判定部は、
異常であると判定した場合、前記電流制御手段によって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力に対応して前記燃料電池の発電電流を制限し、前記燃料ガス供給手段によって、燃料ガスの供給量を増加させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス供給ラインに戻し、燃料ガス循環させる燃料ガス循環ラインと、
前記燃料ガス循環ラインを循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出弁と、
を備え、
前記燃料ガス排出弁が燃料ガスを排出した場合、前記異常判定部は異常判定しない
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】
前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、制限した後における前記燃料電池の発電電流が所定電流以下であるとき、システムが故障していると判定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、前記燃料電池の発電電流の制限時間が所定時間以上であるとき、システムが故障していると判定する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、供給量を増加した後における燃料ガスの圧力が、所定圧力以下であるとき、システムが故障していると判定する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記システムが故障していると判定したとき、前記異常判定部は前記燃料電池の発電を停止する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
燃料ガス供給ラインを介して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給ラインを通流する燃料ガスの圧力を、前記燃料ガス流路の圧力として検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池の発電電流を制御する電流制御手段と、
システム異常の有無を判定する異常判定部と、
を備え、
前記燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料電池システムの運転方法であって、
前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス圧力以下である場合、前記異常判定部によって、システムが異常であると判定する第１工程と、
前記第１工程において異常であると判定された場合、前記電流制御手段によって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力に対応して前記燃料電池の発電電流を制限し、前記燃料ガス供給手段によって、燃料ガスの供給量を増加させる第２工程と、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池に供給される水素及び空気の圧力差を適切にすることは重要であり、水素と空気との圧力差を一定にする技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
一方、燃料電池において水素不足になると、燃料電池の発電効率が低下すると共に、燃料電池のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を構成する電解質膜（固体高分子膜）等が分解してしまい、燃料電池が劣化してしまう。そこで、水素の圧力が、所定圧力（目標水素圧力）以下となった場合、水素供給が異常、つまり、システムが異常であると判定する方法が考えられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２０７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水素の目標圧力は発電要求量に応じて変化するため、水素の圧力判定基準となる所定圧力は、低く設定する必要がある。ところが、所定圧力を低く設定してしまうと、発電要求量が大きく、水素の圧力が高い領域において、水素供給が異常、つまり、システムが異常であると判定するまでに時間を要してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、水素等の燃料ガスの供給が異常、つまり、システムが異常であると適切に判定可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、燃料ガス供給ラインを介して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給ラインを通流する燃料ガスの圧力を、前記燃料ガス流路の圧力として検出する圧力検出手段と、前記燃料電池の発電電流を制御する電流制御手段と、を備え、前記燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料電池システムであって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス圧力以下である場合、システムが異常であると判定する異常判定部をさらに備え、前記異常判定部は、異常であると判定した場合、前記電流制御手段によって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力に対応して前記燃料電池の発電電流を制限し、前記燃料ガス供給手段によって、燃料ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する。そして、圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、目標燃料ガス圧力以下である場合、異常判定部によって、システムが異常であると速やかに判定できる。
また、異常であると判定した場合、異常判定部が、電流制御手段によって、燃料ガスの圧力に対応して燃料電池の発電電流を制限しつつ、燃料ガス供給手段によって、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの供給量を増加させるので、燃料ガス不足を防止しつつ、燃料電池の劣化を防止できる。
【０００９】
また、前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス供給ラインに戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ラインと、前記燃料ガス循環ラインを循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出弁と、を備え、前記燃料ガス排出弁が燃料ガスを排出した場合、前記異常判定部は異常判定しないことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、燃料ガス排出弁が燃料ガスを排出し、燃料ガスの圧力が変動している場合、異常判定部は異常判定しない。これにより、異常判定部による誤判定を防止できる。
【００１３】
また、前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、制限した後における前記燃料電池の発電電流が所定電流以下であるとき、システムが故障していると判定することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、異常であると判定した場合において、異常判定部が、制限後における燃料電池の発電電流が所定電流以下であるとき、システムが故障していると判定できる。
【００１５】
また、前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、前記燃料電池の発電電流の制限時間が所定時間以上であるとき、システムが故障していると判定することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、異常であると判定した場合において、異常判定部が、燃料電池の発電電流の制限時間が所定時間以上であるとき、システムが故障していると判定できる。
【００１７】
また、前記異常判定部は、異常であると判定した場合において、供給量を増加した後における燃料ガスの圧力が、所定圧力以下であるとき、システムが故障していると判定することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、異常であると判定した場合において、異常判定部が、燃料ガスの供給量を増加後における燃料ガスの圧力が、所定圧力以下であるとき、システムが故障していると判定できる。
【００１９】
また、前記システムが故障していると判定したとき、前記異常判定部は前記燃料電池の発電を停止することを特徴とする燃料電池システムである。
【００２０】
このような燃料電池システムによれば、システムが故障していると判定したとき、異常判定部は燃料電池の発電を停止することができる。
【００２１】
また、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、燃料ガス供給ラインを介して前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給ラインを通流する燃料ガスの圧力を、前記燃料ガス流路の圧力として検出する圧力検出手段と、前記燃料電池の発電電流を制御する電流制御手段と、システム異常の有無を判定する異常判定部と、を備え、前記燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する燃料電池システムの運転方法であって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、前記目標燃料ガス圧力以下である場合、前記異常判定部によって、システムが異常であると判定する第１工程と、前記第１工程において異常であると判定された場合、前記電流制御手段によって、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力に対応して前記燃料電池の発電電流を制限し、前記燃料ガス供給手段によって、燃料ガスの供給量を増加させる第２工程と、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
【００２２】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス供給手段が、発電要求量に基づいて算出された目標燃料ガス圧力となるように、燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給する。そして、圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力が、目標燃料ガス圧力以下である場合、異常判定部によって、システムが異常であると適切に判定できる（第１工程）。
また、第１工程において異常であると判定された場合、電流制御手段によって、燃料ガスの圧力に対応して燃料電池の発電電流を制限しつつ、燃料ガス供給手段によって、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの供給量を増加させる（第２工程）。したがって、燃料ガス不足を防止しつつ、燃料電池の劣化を防止できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、水素等の燃料ガスの供給が異常、つまり、システムが異常であると適切に判定可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
【００２５】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００２７】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２８】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２９】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３０】
このように燃料電池スタック１０が発電すると、カソードで生成した水分（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となる。また、カソード（カソード流路１３）に供給される空気は、後記する加湿器３２により加湿され、多湿となっている。
【００３１】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁１００と、エゼクタ２００と、圧力センサ２６（圧力検出手段）と、常閉型のパージ弁２７（燃料ガス排出弁）とを備えている。つまり、アノード流路１２に水素を供給する水素供給手段（燃料ガス供給手段）は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、減圧弁１００と、エゼクタ２００とを備えて構成されている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁１００、配管１００ａ、エゼクタ２００、配管２００ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。
【００３２】
［減圧弁］
ここで、減圧弁１００について、図２を参照して説明する。なお、図２は、弁体１５０が弁座１４０に着座し、減圧弁１００が閉じた状態を記載している。
減圧弁１００は、第１ボディ１１０と、第２ボディ１２０と、第３ボディ１３０と、弁座１４０と、第１ボディ１１０内に配置されると共に、閉弁時に弁座１４０に着座する弁体１５０と、シャフト１６０と、第１ダイアフラム１７１と、第２ダイアフラム１７２と、圧縮コイルばねから構成される第１ばね１７３及び第２ばね１７４と、を備えている。
【００３３】
第１ボディ１１０には、弁座１４０に着座した弁体１５０で仕切られた一次室１１１及び二次室１１２と、一次室１１１に連通すると共に配管２２ａが接続される一次ポート１１３と、二次室１１２に連通すると共に配管１００ａが接続される二次ポート１１４とが形成されている。弁座１４０は、第１ボディ１１０に固定されており、弁体１５０は、第１ばね１７３によって弁座１４０側に、つまり、閉方向に付勢されている。
【００３４】
シャフト１６０は、その下端が弁体１５０に螺着されると共に、その上端は、第２ボディ１２０、第３ボディ１３０内で上方に延びており、第１ボディ１１０に固定されたシャフトガイド１６１により、軸方向にガイドされている。
シャフト１６０の中間部には、径方向に延出するストッパ部１６２が形成されており、ストッパ部１６２の上には、第１ダイアフラム１７１、第１ダイアフラム１７１と第２ダイアフラム１７２との間隔を所定に保持するスペーサ１６３、第２ダイアフラム１７２、円盤状の挟持板１６４が、順に配置されている。そして、ナット１６５が、挟持板１６４の上方からシャフト１６０に螺合されており、シャフト１６０に対して、第１ダイアフラム１７１、第２ダイアフラム１７２及び挟持板１６４が、所定位置で保持されている。
【００３５】
第１ダイアフラム１７１の周縁は、第１ボディ１１０と第２ボディ１２０とに挟持されている。第２ダイアフラム１７２の周縁は、第２ボディ１２０と第３ボディ１３０とに挟持されている。
そして、二次室１１２に流入した水素は、細管１１５を通って、アスピレータ室１１６に流入し、シャフト１６０のストッパ部１６２を上方向に押圧することで、シャフト１６０と一体である弁体１５０を閉方向に付勢するようになっている。
【００３６】
第２ばね１７４は、第３ボディ１３０に螺着されたばね止め部材１３３と、挟持板１６４との間に介装されており、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢している。ばね止め部材１３３は、第３ボディ１３０に対して回動可能に構成されており、このように回動させると、第２ばね１７４のばね長が変化し、第２ばね１７４が弁体１５０を開方向に付勢する力が可変するように設計されている。
【００３７】
第３ボディ１３０には、パイロット室１３１と、パイロット室１３１に連通すると共に、配管２４ａ（図１参照）が接続されるパイロットポート１３２が形成されている。配管２４ａの上流端は、後記するコンプレッサ３１からの空気が流れる配管３１ａに接続されており、その途中には、オリフィス２４が設けられている。
そして、コンプレッサ３１が作動すると、配管３１ａ内の空気は、オリフィス２４で流量が絞られた後、配管２４ａ、パイロットポート１３２を介して、パイロット室１３１に導入され、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢するようになっている。
【００３８】
また、配管２４ａは、オリフィス２４と減圧弁１００との間で、配管２５ａを介して常閉型の空気排出弁２５に接続されている。空気排出弁２５は、ＥＣＵ６０の指令によって開き、配管２４ａ内の空気を排出する機能を備えている。そして、このように空気が排出されると、図２のパイロット室１３１における空気の圧力が下がり、空気が弁体１５０を開方向に付勢する力が小さくなる。
【００３９】
したがって、第２ばね１７４及びパイロット室１３１の空気による弁体１５０を開方向に付勢する力が、第１ばね１７３及びアスピレータ室１１６の水素による弁体１５０を閉方向に付勢する力よりも大きくなると、弁体１５０が弁座１４０から離座し、減圧弁１００が開弁するようになっている。
【００４０】
［エゼクタ］
次に、エゼクタ２００について、図３を参照して説明する。なお、図３は、ソレノイド２７１がＯＦＦされ、ニードル２４０が前進し、ノズル２３０の噴射口が小さい状態を記載している。
エゼクタ２００は、基体２２０と、基体２２０に螺設されたノズル２３０と、ノズル２３０の中空部２３１において、その軸線上を進退自在に移動すると共に、ノズル２３０の噴射口２３２に遊挿されたニードル２４０と、ノズル２３０の外側で基体２２０に螺設されたディフューザ２５０と、ディフューザ２５０に外嵌したケーシング２６０と、基体２２０に螺設されると共にソレノイド２７１を有するソレノイド部２７０と、を備えている。
【００４１】
ニードル２４０は、ソレノイド部２７０に内蔵された圧縮コイルバネ２７２によってノズル２３０側に付勢されている。そして、ソレノイド２７１がＯＦＦされている場合、ストッパとして機能するニードル２４０の基端部２４１が基体２２０に当接し、ニードル２４０がソレノイド２７１のＯＦＦ位置で配置されるようになっている。そして、このようにニードル２４０がＯＦＦ位置にある場合、ニードル２４０の先端２４２がノズル２３０の噴射口２３２から突出し、噴射口２３２における水素の噴射断面積が小さくなり（ノズル２３０の噴射口：小）、ノズル２３０で噴射される水素タンク２１からの水素の流量（噴射流量）が減少するように設計されている。
【００４２】
一方、ソレノイド２７１がＥＣＵ６０によりＯＮされた場合、ニードル２４０がノズル２３０に対して後退し、ソレノイド２７１のＯＮ位置で配置されるようになっている。そして、このようにニードル２４０がＯＮ位置にある場合、ニードル２４０の先端２４２が噴射口２３２から離間し、噴射口２３２における水素の噴射断面積が大きくなり（ノズル２３０の噴射口：大）、水素タンク２１からの水素の流量（噴射流量）が増加するように設計されている。
【００４３】
ディフューザ２５０は、その中心軸線上に水素流路２５１を有すると共に、その下流側に向かって、略円形の水素流路２５１の断面積が徐々に縮径する縮径部２５２と、断面積が最小となるスロート部２５３と、断面積が徐々に拡径する拡径する拡径部２５４と、を備えている。縮径部２５２には、周方向において複数（例えば４つ）のアノードオフガス導入孔２５５が形成されている。
【００４４】
そして、パージ弁２７（図１参照）が閉じた状態において、水素タンク２１からの水素が、基体２２０に形成された導入ポート２２１、ノズル２３０の中空部２３１を通って、噴射口２３２から噴射されると、負圧が発生するようになっている。次いで、この負圧により、アノードオフガスが、配管２５ｂ（図１参照）から、ケーシング２６０のアノードオフガス導入孔２６１、ディフューザ２５０とケーシング２６０との間に形成されたリング状の分配マニホールド空間２６２、複数のアノードオフガス導入孔２５５を介して、水素流路２５１に吸引されるようになっている。その後、拡径部２５４内の水素流路２５１において、噴射された水素タンク２１からの水素と、吸引されたアノードオフガスとが混合され、配管２００ａに向かうようになっている。
【００４５】
図１に戻って説明を続ける。
圧力センサ２６は、アノード流路１２における水素の圧力（これを実測水素圧力とする）を検出可能なように、配管２００ａに取り付けられている。そして、圧力センサ２６は、実測水素圧力を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４６】
アノード流路１２の出口は、配管２５ｂ（燃料ガス循環ライン）を介して、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２００のアノードオフガス導入孔２６１（図３参照）に接続されており、配管２５ｂには気液分離器（図示しない）が設けられている。そして、アノード流路１２（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、前記気液分離器において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２００に戻され、その結果、水素が循環するようになっている。
【００４７】
配管２５ｂは、その途中で、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器３４の上部に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２５ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１の電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セル１１の電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。
【００４８】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
【００４９】
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、後記するアクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するべく、その回転速度が高められる設定となっている。なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
【００５０】
カソード流路１３の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃ、背圧弁３３、配管３３ａを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３２ｂ等を介して、希釈器３４に排出されるようになっている。
【００５１】
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。詳細には、アクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を高圧で供給するべく、背圧弁３３の開度は小さくなるように制御される。
【００５２】
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１３に向かう空気を加湿するため、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜３２ｄを備えている。
【００５３】
希釈器３４は、パージ弁２７から導入されるアノードオフガスと、配管３３ａから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合することで生成した希釈後ガスは、配管３４ａを介して車外に排出されるようになっている。
【００５４】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit、電流制御手段）と、コンタクタ４３と、出力検出器４４（電流検出手段）と、高圧バッテリ４５とを備えている。走行モータ４１は、ＶＣＵ４２、コンタクタ４３、出力検出器４４を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。なお、走行モータ４１とＶＣＵ４２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。
【００５５】
走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御（制限）すると共に、高圧バッテリ４５の電力を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。
コンタクタ４３は、ＥＣＵ６０の指令に従って、ＶＣＵ４２と出力検出器４４との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。
【００５６】
出力検出器４４は、燃料電池スタック１０の現在の出力電流及び出力電圧を、所定時間毎（例えば１０秒毎）に検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えており、電流センサ及び電圧センサは適所に配置されている。そして、出力検出器４４は、出力電流及び出力電圧を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００５７】
高圧バッテリ４５は、リチウムイオン型の二次電池等から構成された蓄電装置であり、ＶＣＵ４２に接続されている。そして、高圧バッテリ４５は、加速時等において燃料電池スタック１０をアシストする場合、その電力を放電し、一方、減速時等の場合、走行モータ４１からの回生電力を充電するようになっている。
【００５８】
＜アクセルペダル等＞
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal、ＡＰ）は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み量（ＡＰ量）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００５９】
故障ランプ５２は、ＥＣＵ６０が燃料電池システム１は故障していると判定した場合、運転者に故障を知らせるために点灯させるランプであり、インストルメント・パネルに配置されている。
【００６０】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
また、ＥＣＵ６０（異常判定部）は、目標水素圧力、実測水素圧力、指令電流等に基づいて、燃料電池システム１の異常、故障を判定する機能を備えている。
【００６１】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図４を主に参照して説明する。なお、初期状態において、コンタクタ４３はＯＮされており、燃料電池スタック１０は発電している。
【００６２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１から入力される踏み込み量（ＡＰ量）と、図５のマップと基づいて、コンプレッサ３１の回転速度、背圧弁３３の開度、減圧弁１００のパイロット圧を制御する。なお、図５のマップは、事前試験やシミュレーションにより求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００６３】
図５に示すように、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きくなると、燃料電池自動車を加速させるべく、運転者からの発電要求量が大きくなるので、カソード流路１３に空気を多量・高圧で供給するべく、コンプレッサ３１の回転速度は高くなり、背圧弁３３の開度は小さくなる関係となっている。
これに連動して、減圧弁１００に入力されるパイロット圧は、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きくなると、高くなる関係となっている。なお、このようにパイロット圧を高める場合、ＥＣＵ６０は、例えば、一定の時間にて開かれる空気排出弁２５の排出インターバルを長くする。
【００６４】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、直近の所定時間（例えば１０秒）内に、パージ弁２７が開かれたか否か判定する。
パージ弁２７は開かれたと判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１に進む。このようにパージ弁２７が開かれ、圧力が変動している場合、後記するステップＳ１０５等の判定は実行されず、ＥＣＵ６０による誤判定が防止される。
一方、パージ弁２７は開かれていないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０３に進む。
【００６５】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量と、図６のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０に出力させるべき目標電流を算出する。
なお、図６のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。また、図６に示すように、アクセルペダル５１の踏み込み量（発電要求量）が大きくなると、目標電流が大きくなる関係となっている。
【００６６】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０３で算出した目標電流と、図７のマップとに基づいて、水素が過不足であるか否かの判定基準となる目標水素圧力を算出（変更）する。これにより、目標水素圧力は、目標電流を介して、発電要求量に基づいて算出されることになる。
なお、図７のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。また、図７に示すように、目標電流が大きくなると、目標水素圧力が大きくなる関係となっている。
【００６７】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、圧力センサ２６を介して検出される実測水素圧力と、ステップＳ１０４で算出した目標水素圧力とに基づいて、燃料電池システム１が異常であるか否か判定する。
実測水素圧力が目標水素圧力以下であり、燃料電池システム１は異常であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０６に進む。なお、この場合は、目標電流に対応した圧力で、水素がアノード流路１２に供給されておらず、このままの状態で発電を継続すると、燃料電池スタック１０が劣化する虞のある場合である。
一方、実測水素圧力が目標水素圧力以下でなく、燃料電池システム１は異常でない（正常である）と判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１１３に進む。
【００６８】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、電流制限を開始する。
具体的には、ＥＣＵ６０は、圧力センサ２６から入力される実測水素圧力と、図８のマップとに基づいて、ＶＣＵ４２に指令し、燃料電池スタック１０で出力させる電流（指令電流という）を、燃料電池スタック１０で水素不足とならない電流に制限し、この制限された指令電流で、燃料電池スタック１０を発電させる。これにより、燃料電池スタック１０で水素不足になることは防止され、燃料電池スタック１０の劣化は防止される。
なお、図８のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。また、図８に示すように、実測水素圧力が高くなると、指令電流が大きくなる関係となっている。さらに、指令電流を制限しているか否かは、フラグ等によって記憶される。
【００６９】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、水素供給量を増加させる。
具体的には、ＥＣＵ６０は、空気排出弁２５の開間隔を長くしたり、開時間を短くし、減圧弁１００に入力されるパイロット圧を高める。このようにパイロット圧が高まると、減圧弁１００が開きやすくなり、配管１００ａ（アノード流路１２）への水素の供給量が増加する。
【００７０】
また、ＥＣＵ６０は、エゼクタ２００のソレノイド２７１をＯＮ、つまり、ソレノイド２７１に通電させ、ニードル２４０を後退させる。そうすると、ノズル２３０における水素の噴射断面積が大きくなり（噴射口：大）、配管２００ａ（アノード流路１２）への水素の供給量が増加する。
【００７１】
さらに、ＥＣＵ６０は、パージ弁２７を適宜に開く。このようにパージ弁２７を開くと、水蒸気等の不純物が排出されると共に、アノード流路１２における水素の圧力が低下するため、減圧弁１００が開き、アノード流路１２への水素の供給量が増加する。
このようにして、水素の供給量を増加させるので、燃料電池スタック１０における水素不足をさらに防止しつつ、燃料電池スタック１０の劣化を防止できる。
【００７２】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、圧力センサ２６から入力される実測水素圧力が所定圧力以下であるか否か判定する。
所定圧力は、水素の圧力が発電不能である程度に低すぎ、例えば、遮断弁２２が故障して閉じており、水素が供給されてなく、システムが故障していると判断される圧力である。このような所定圧力は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００７３】
そして、実測水素圧力が所定圧力以下であると判定した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、実測水素圧力が所定圧力以下でないと判定した場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００７４】
ステップＳ１０８の判定結果がＹｅｓである場合、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１が故障していると判定し、ステップＳ１０９において、故障ランプ５２を点灯させ、運転者に喚起する。併せて、ＥＣＵ６０は、コンタクタ４３をＯＦＦすると共に、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を停止し、燃料電池スタック１０の発電を停止する。これにより、水素不足下での燃料電池スタック１０の発電は防止され、燃料電池スタック１０の劣化は防止される。なお、走行モータ４１は、高圧バッテリ４５を電源として継続して駆動でき、燃料電池自動車は走行可能である。
【００７５】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０６における制限後の指令電流が、所定電流以下であるか否か判定する。
所定電流は、走行モータ４１を駆動可能な電流であるものの、例えば、減圧弁１００が故障しており、減圧弁１００の二次側圧力（アノード流路１２の水素圧力）が良好に昇圧せず、燃料電池自動車が通常に走行可能な電流に回復させることは困難と判断される電流である。このような所定圧力は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００７６】
そして、指令電流が所定電流以下であると判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１１１に進む。一方、指令電流が所定電流以下でないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１１２に進む。
【００７７】
ステップＳ１１０の判定結果がＹｅｓである場合、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１が故障していると判定し、ステップＳ１１１において、故障ランプ５２を点灯させ、運転者に喚起する。ただし、ステップＳ１０９と異なり、制限後の指令電流は走行モータ４１を駆動可能な電流であるので、ＥＣＵ６０は、コンタクタ４３はＯＮしたまま、燃料電池スタック１０の発電は継続させる。
【００７８】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ６０は、内部クロックを利用して、ステップＳ１０６で指令電流の制限を開始した後の時間（これを制限時間）が、所定時間以上であるか否か判定する。
所定時間は、例えば、エゼクタ２００のソレノイド２７１が故障し（図３参照）、ニードル２４０を後退できず、ノズル２３０の噴射口を「大」に切り替えできないため、水素供給量が増加せず、実測水素圧力が目標水素圧力以下となる時間が継続し、燃料電池自動車が通常に走行可能な電流に回復させることは困難と判断される時間である。このような所定時間は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００７９】
そして、制限時間が所定時間以上であると判定した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１１１に進む。このように進む場合、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１が故障していると判定する。
一方、制限時間が所定時間以上でないと判定した場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
【００８０】
次に、ステップＳ１０５の判定結果がＮｏとなって進むステップＳ１１３を説明する。
なお、このようにステップＳ１１３に進む場合、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１は正常である、つまり、目標電流に対応した圧力で、水素がアノード流路１２に供給されていると判定している。
【００８１】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ６０は、フラグ等を参照して、指令電流を制限しているか否か判定する。
そして、指令電流を制限していると判定した場合（Ｓ１１３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１１４に進み、ＶＣＵ４２による制限を解除した後（Ｓ１１４）、リターンに進む。一方、指令電流を制限していないと判定した場合（Ｓ１１３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はリターンに進む。
【００８２】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１から得られる効果を、図９を参照して説明する。
ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量（発電要求量）に基づいて、目標水素圧力を算出し、この目標水素圧力と実測水素圧力とを比較するので、システムが異常であるか否かを適切に判定できる。
【００８３】
そして、システムが異常であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、指令電流を制限するので（Ｓ１０６）、燃料電池スタック１０で水素不足になること防止できる。これにより、燃料電池スタック１０の劣化を防止できる。また、このようにシステムが異常であると判定した場合、水素の供給量を増加させるので（Ｓ１０７）、水素不足をさらに防止できる。
【００８４】
さらに、システムが異常であると判定した場合において、実測水素圧力が所定圧力以下であるとき、システムが故障していると判定し、燃料電池スタック１０の発電を停止するので、水素不足のまま燃料電池スタック１０が発電し、劣化することを防止できる。
一方、システムが異常であると判定した場合において、指令電流が所定電流以下であるとき、又は、指令電流を制限した制限時間が所定時間以上であるとき、システムが故障していると判定しながらも、燃料電池スタック１０の発電を継続するので、その発電電力によって燃料電池自動車を走行させることができる。
【００８５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組合させてもよい。
【００８６】
前記した実施形態では、図４に示すように、ステップＳ１０９、Ｓ１１１、Ｓ１１３の順で判定処理を実行する構成としたが、この順に限定されず、適宜変更してよい。
【００８７】
前記した実施形態では、実測水素圧力と目標水素圧力とを比較する構成としたが、例えば、実測水素圧力と目標水素圧力との圧力差と、目標水素圧力に基づいて求められる目標圧力差とを比較する構成としてもよい。なお、このような構成としても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
【００８８】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る減圧弁の縦断面図である。
【図３】本実施形態に係るエゼクタの縦断面図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】アクセルペダルの踏み込み量（ＡＰ量）と、コンプレッサの回転速度、背圧弁の開度、減圧弁に入力されるパイロット圧との関係を示すマップである。
【図６】アクセルペダルの踏み込み量（ＡＰ量）と、目標電流との関係を示すマップである。
【図７】目標電流と、目標水素圧力との関係を示すマップである。
【図８】実測水素圧力と指令電流との関係を示すマップである。
【図９】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００９０】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
１２    アノード流路（燃料ガス流路）
１３    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１    水素タンク（燃料ガス供給手段）
２６    圧力センサ（圧力検出手段）
６０    ＥＣＵ（異常判定部）
１００  減圧弁（燃料ガス供給手段）
２００  エゼクタ（燃料ガス供給手段）
【図１】
0005302568.tif 000002
【図２】
0005302568.tif 000003
【図３】
0005302568.tif 000004
【図４】
0005302568.tif 000005
【図５】
0005302568.tif 000006
【図６】
0005302568.tif 000007
【図７】
0005302568.tif 000008
【図８】
0005302568.tif 000009
【図９】
0005302568.tif 000010