(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へのエアの供給側と該燃料電池からのエアの排気側との間をバイパスするバイパス路にバイパス弁が設けられた燃料電池システムにおいて、
低効率発電時に該バイパス弁に異常が発生した場合には、前記燃料電池の該排気側の圧力を下げて、カソードオフガスの排出量を増加させ、かつ、エアの供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池のエアの排気側にエア背圧弁を備え、前記燃料電池のエアの供給側にエアを供給するエアコンプレッサを備え、前記バイパス弁に異常が発生した場合に、前記エア背圧弁の開度を増加させ、かつ、該エアコンプレッサの回転数を低下させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記バイパス弁の異常を検出するバイパス異常検出手段と、
前記エア背圧弁と前記エアコンプレッサを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記バイパス異常検出手段の検出出力に応答して、前記エア背圧弁の開度を増加させ、かつ、前記エアコンプレッサの回転数を低下させる、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス異常検出手段は、前記エアコンプレッサのエア吐出側の圧力を監視して、その圧力が異常値を示すときには、前記バイパス弁の閉故障に伴う異常を検出する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バイパス異常検出手段は、前記燃料電池の電流の絶対値または変化率が電流閾値を超えたときに、前記バイパス弁の閉故障に伴う異常として検出する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパス異常検出手段は、
前記エアコンプレッサのエア吐出側の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出圧力が圧力閾値を超えたときに前記バイパス弁の閉故障に伴う異常と判定する圧力判定器と、
から構成される、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バイパス異常検出手段は、
前記燃料電池の電流を検出する電流センサと、
前記電流センサの検出電流と電流指令値との差が電流閾値を超えたときに前記バイパス弁の閉故障に伴う異常と判定する電流判定器と、から構成される、
請求項３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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。
【０００３】
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
【０００４】
ところで、燃料電池システムにおいては、低温起動時に、前回システム停止時の水分が燃料電池内に残留していると水分が凍結し、起動しないことがある。また、起動したとしても、自己の反応によって生じた生成水が凍結し発電が停止することもある。
【０００５】
そこで、燃料電池の発電効率を制御して自己発熱量を制御することが行われている。例えば、反応ガスの供給量を減少させたり、燃料電池の電極間を短絡させたりして、反応物を不足状態で燃料電池を運転し、燃料電池の電極間での過電圧を増やすことで自己発熱量を増やすことが行われている。この際、反応ガスの供給量を減少させて、燃料電池の電圧を０ボルト付近に制御すると、セルに逆電位が生じ、燃料電池の酸素極側に水素が移動し、空気排出経路から水素が排出される可能性がある。このため、空気供給経路における送風機の下流側と空気排出経路とを接続するバイパス経路を設け、送風機から供給される外気を、バイパス経路を介して空気排出経路に導入し、空気排出経路内部の水素を希釈するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−７３５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
反応ガスの供給量を減少させて低効率発電を行って燃料電池を暖機するに際して、空気排出経路内部の水素を希釈するために、バイパス経路を流れるエア量をコントロールするためのバイパス弁に異常が生じた場合、例えば、凍結などによりバイパス弁が固着し、閉弁故障した際には、燃料電池に供給されるエア量が増大し、燃料電池が過剰ストイキ比となって、燃料電池のＩ−Ｖ特性が上昇し、過大な発電エネルギーが発生することがある。この状態で、コンバータ電圧制御が実行されると、ＤＣ／ＤＣコンバータや２次電池に過電流が流れ、ＤＣ／ＤＣコンバータや２次電池が破損する恐れがある。また圧力センサが凍結により動作不能となった状態で、エア背圧弁（エア調圧弁）が閉弁側に制御されると、エア圧力の上昇に伴って燃料電池のスタックが破損する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、低効率発電時にバイパス弁に異常が生じても、燃料電池が過剰ストイキ比になるのを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池へのエアの供給側と該燃料電池からのエアの排気側との間をバイパスするバイパス路にバイパス弁が設けられた燃料電池システムにおいて、低効率発電時に該バイパス弁に異常が発生した場合には、前記燃料電池の該排気側の圧力を下げて、カソードオフガスの排出量を増加させ、かつ、エアの供給量を減少させることを特徴とする。
【００１０】
係る構成によれば、燃料電池の低効率発電時に、バイパス弁に異常が発生したときには、燃料電池の該排気側（例えば、カソードオフガス流路）の圧力を下げて、カソードオフガスの排出量を増加させ、エアの供給量を減少させるので、燃料電池が過剰ストイキ比になるのを防止することができ、過大な発電エネルギーの発生に伴ってシステムが破損するのを防止することができる。
【００１１】
前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
好適には、前記燃料電池のエアの排気側にエア背圧弁を備え、前期燃料電池のエアの供給側にエアを供給するエアコンプレッサを備え、前記バイパス弁に異常が発生した場合に、前記エア背圧弁の開度を増加させ、かつ、該エアコンプレッサの回転数を低下させる。
【００１２】
係る構成によれば、バイパス弁の異常発生時に、エア背圧弁の開度を増加させ、エアコンプレッサの回転数を低下させることで、燃料電池が過剰ストイキ比となるのを防止することができる。
【００１３】
好適には、前記バイパス弁の異常を検出するバイパス異常検出手段と、前記エア背圧弁と前記エアコンプレッサを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記バイパス異常検出手段の検出出力に応答して、前記エア背圧弁の開度を増加させ、前記エアコンプレッサの回転数を低下させる。
【００１４】
係る構成によれば、バイパス異常検出手段によってバイパス弁の異常が検出されたときに、制御手段により、エア背圧弁の開度を増加させ、エアコンプレッサの回転数を低下させることで、燃料電池が過剰ストイキ比となるのを自動的に防止することができる。
【００１５】
好適には、前記バイパス異常検出手段は、前記エアコンプレッサのエア吐出側の圧力を監視して、その圧力が異常値を示すときには、前記バイパス弁の閉故障に伴う異常を検出してなる。
【００１６】
係る構成によれば、エアコンプレッサのエア吐出側の圧力が異常値を示すときには、バイパス弁の閉故障に伴う異常を検出することができる。
【００１７】
好適には、前記バイパス異常検出手段は、前記燃料電池の電流の絶対値または変化率が電流閾値を超えたときに、前記バイパス弁の閉故障に伴う異常を検出してなる。
【００１８】
係る構成によれば、燃料電池の電流の絶対値または変化率が電流閾値を超えたときにはバイパス弁の閉故障に伴う異常を検出することができる。
【００１９】
好適には、前記バイパス異常検出手段は、前記エアコンプレッサのエア吐出側の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出圧力が圧力閾値を超えたときに前記バイパス弁の閉故障に伴う異常と判定する圧力判定器とから構成されてなる。
【００２０】
係る構成によれば、エアコンプレッサのエア吐出側の圧力が圧力閾値を超えたときには、バイパス弁の閉故障に伴う異常を検出することができる。
【００２１】
好適には、前記バイパス異常検出手段は、前記燃料電池の電流を検出する電流センサと、前記電流センサの検出電流と電流指令値との差が電流閾値を超えたときに前記バイパス弁の閉故障に伴う異常と判定する電流判定器とから構成されてなる。
【００２２】
係る構成によれば、燃料電池の電流を検出し、この検出電流と電流指令値との差が電流閾値を超えたときにはバイパス弁の閉故障に伴う異常を検出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低効率発電時に、燃料電池が過剰ストイキ比になるのを防止することができ、過大な発電エネルギーの発生に伴ってシステムが破損するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（本実施形態）
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。
本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００２５】
燃料電池システム１００は、燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。
燃料ガス循環供給系は燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路２１、燃料電池４０、燃料ガス循環路２２、及びアノードオフガス流路２３を含んで構成され、酸化ガス供給系はエアコンプレッサ６０、酸化ガス供給路１１、及びカソードオフガス流路１２を含んで構成されている。
【００２６】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
【００２７】
燃料ガス供給源３０は、燃料電池４０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池４０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３は、各ガス流路２１〜２３又は燃料電池２０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００２８】
燃料ガス循環路２２は、未反応燃料ガスを燃料電池４０へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素ポンプ５０、逆止弁５１が各々配設されている。燃料電池４０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ５０によって適度に加圧され、燃料ガス供給路２１へ導かれる。なお、燃料ガス供給路２１から燃料ガス循環路２２への燃料ガスの逆流は、逆止弁５１によって抑制される。
【００２９】
アノードオフガス流路２３は、燃料電池４０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００３０】
酸化ガス供給系における酸化ガス供給路１１は、燃料電池４０の供給側の経路であり、エアコンプレッサ６０および加湿モジュール７０を介して燃料電池４０のカソード入口に連通している。酸化ガス供給系におけるカソードオフガス流路１２は、燃料電池４０の排気側の経路であり、燃料電池４０のカソード出口から圧力調整弁Ａ１、上記加湿モジュール７０を介して希釈器８０に連通している。
【００３１】
エアコンプレッサ（ガス供給源）６０は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだエア（酸化ガス；カソードガス）をカソード入口を経由して燃料電池４０のカソード極に供給する。燃料電池４０のカソード出口からはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池４０の電池反応に供した後の酸化オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。このカソードオフガスは、燃料電池４０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００３２】
加湿モジュール７０は、酸化ガス供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路１２を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池４０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池４０に供給される酸化ガスの背圧は、制御装置１６０による制御のもと、カソードオフガス流路１２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ１によって調圧される。また、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１には、供給される酸化ガスの圧力を検知する圧力センサＰ１と、この酸化ガスの温度を検知する温度センサＴ１が設けられている。
【００３３】
ここで、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１と、加湿モジュール７０から希釈器８０に至るカソードオフガス流路１２との間は、バイパス弁Ｂ１によって接続されている。バイパス弁（バイパス装置）Ｂ１及びバイパス通路（バイパス装置）３１は、酸化ガス供給路１１を流れる酸化ガスの一部を燃料電池４０をバイパスしてカソードオフガス流路（排出通路）１２へ導く手段であり、制御装置（調整手段）１６０によってバイパスされる酸化ガス（以下、バイパスエア）のガス量が調整される。バイパス通路３１には、バイパス弁Ｂ１を通過する前のバイパスエアの圧力（１次圧）を検出する圧力センサＰ２と、バイパス弁Ｂ１を通過した後のバイパスエアの圧力（２次圧）を検出する圧力センサＰ３が設けられている。さらに、バイパス弁Ｂ１の近傍には、制御装置（検知手段）１６０による制御のもと、バイパス弁Ｂ１の弁体位置を検知する弁体位置検知センサ（検知手段）１８０が設けられている。
【００３４】
希釈器８０は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器８０にはカソードオフガス流路１２の下流及びアノードオフガス流路２３の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。
【００３５】
燃料電池４０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ１３０によって昇降圧され、バッテリ１４０に充電される。
バッテリ１４０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ１４０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
【００３６】
トラクションインバータ１１０及び補機インバータ１２０は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ１４０から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。
トラクションモータＭ３は車輪１５０Ｌ、１５０Ｒを駆動するためのモータであり、補機モータＭ４は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータＭ４は水素循環ポンプ５０を駆動するモータＭ１やエアコンプレッサ６０を駆動するモータＭ２等を総称している。
【００３７】
制御装置１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサＳ１、バッテリ１４０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサＳ２、トラクションモータＭ３の回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサＳ３、燃料電池４０の出力電圧を検出する電圧センサＳ４、出力電流を検出する電流センサＳ５のほか、温度センサＴ１、Ｔ２、圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ１１０、１２０の出力パルス幅などを制御する。
【００３８】
また、制御装置１６０は、低温始動時など燃料電池４０を暖機する必要がある場合には、メモリ１７０に格納されている各マップｍｐ１〜ｍｐ５等を利用して発電効率の低い運転を行う。
【００３９】
図２は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図であり、発電効率の高い運転（通常運転）を行った場合を実線で示し、酸化ガス量を絞ることによって発電効率の低い運転（低効率運転）を行った場合を点線で示す。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。
【００４０】
通常、燃料電池４０を運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは、ＦＣ電流を発電させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。
【００４１】
これに対し、燃料電池４０を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池４０の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０付近（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる一方、該カソードにはポンピング水素が発生する。
【００４２】
図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図３Ａは通常運転時の電池反応を示す図、図３Ｂは低効率運転時の電池反応を示す図である。
各セル４は、電解質膜４ａと、この電解質膜４ａを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ2）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ2）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（Ａ）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４ａを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
【００４３】
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（Ｂ）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図３Ａ参照）。一方、低効率発電の実施中のようにカソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（Ｃ）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図３Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード：  Ｈ2  →２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                              ・・・（Ａ）
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ       ・・・（Ｂ）
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                      →  Ｈ2        ・・・（Ｃ）
【００４４】
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態ではカソードオフガスにポンピング水素が含まれるため、カソードオフガスに含まれるポンピング水素量に応じてバイパス弁Ｂ１の弁開度等を調整する。このようにバイパスエアの流量を調整することで、発電に必要な酸化ガスを燃料電池４０のカソード極に供給しつつ、排気水素濃度を適正範囲に収まるように希釈することが可能となる。
【００４５】
ここで、低温環境下において、低効率発電を実施して燃料電池４０を暖機するに際して、バイパス弁Ｂ１に異常が生じ、弁体が凍結固着などして閉故障が生じると、エアコンプレッサ６０から供給される酸化ガスがバイパス通路３１を介してバイパスされなくなったり、あるいはバイパス量がコントロールできなくなったりして、低効率発電時に必要な酸化ガスよりも多くの酸化ガスが燃料電池４０に供給され、燃料電池４０が過剰ストイキ比となり、燃料電池４０のＩ−Ｖ特性の上昇に伴ってＤＣ／ＤＣコンバータ１３０やバッテリ１４０に過電流が流れる不都合がある。
【００４６】
そこで、本実施形態では、低効率発電時に、バイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常が生じた場合には、低効率発電に必要な酸化ガスの燃料電池４０に対する供給量を絞るために、エア背圧弁としての圧力調整弁Ａ１の開度を増加させて、カソードオフガス流路１２の圧力を下げて、カソードオフガスの排出量を増加させ、エアコンプレッサ６０の回転数を低下させて、エアコンプレッサ６０によるエアの吐出量を減少させることとしている。
【００４７】
すなわち、本実施形態では、低効率発電を実施するに際して、制御装置１６０により、圧力センサＰ１またはＰ２の検出圧力または電流センサＳ５の検出電流を監視し、いずれかのセンサの出力によってバイパス弁Ｂ１の異常の有無を判定し、正常時には正常時の処理を実行し、異常時には異常の処理として、圧力調整弁Ａ１の開度とエアコンプレッサ６０の回転数を制御することとしている。
【００４８】
この際、制御装置１６０は、バイパス異常検出手段の一要素として、エアコンプレッサ６０のエア吐出側の圧力を検出する圧力センサＰ１（またはＰ２）の検出圧力が圧力閾値を超えたときにバイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常と判定する圧力判定器を構成するとともに、燃料電池４０の電流を検出する電流センサＳ５の検出電流と電流指令値との差が電流閾値を超えたときに、バイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常と判定する電流判定器を構成するようになっている。さらに、制御装置１６０は、バイパス異常検出手段の検出出力に応答して、圧力調整弁Ａ１の開度を増加させ、エアコンプレッサ６０の回転数を低下させるための制御を行う制御手段として機能するようになっている。
【００４９】
以下、低効率発電時における燃料電池システムの動作について説明する。
＜バイパス弁正常時の処理＞
制御装置１６０は、温度センサＴ２によって検出されるＦＣ温度がメモリ（図示略）に設定されている基準温度を下回っているか否かを判断する。ここで、基準温度は、システム始動時に低効率運転を実施すべきか否かを判断するための基準温度（例えば０℃）である。なお、基準温度は、製造出荷時などに予め設定してもよいが、ボタン操作などによって適宜設定・変更可能としてもよい。
【００５０】
制御装置１６０は、検出されるＦＣ温度が基準温度を超えていることを検知すると、通常運転を開始し、処理を終了する。
【００５１】
一方、制御装置１６０は、検出されるＦＣ温度が基準温度を下回っていることを検知すると、低効率運転を開始すべく、目標とする低効率運転動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）を決定した後（図２参照）、メモリ１７０に格納されている低効率ストイキ比マップｍｐ１を参照する。低効率運転ストイキ比マップｍｐ１は、ＦＣ電流指令値ＩｔとＦＣ電圧指令値Ｖｔからエアストイキ比を決定するものであり、実験などによって求めた値をベースに作成される。制御装置１６０は、決定したＦＣ電流Ｉｔ、ＦＣ電圧Ｖｔ、低効率運転ストイキ比マップｍｐ１を利用して該運転動作点におけるエアストイキ比Ｒａを決定する。
【００５２】
制御装置１６０は、エアストイキ比Ｒａを決定すると、メモリ１７０に格納されているポンピング水素量マップｍｐ２及びパージ水素量マップｍｐ３を参照する。ポンピング水素量マップｍｐ２は、ＦＣ電流指令値Ｉｔと、決定したエアストイキ比Ｒａと、温度センサＳ６によって検出される燃料電池４０の温度からポンピング水素の発生量（ポンピング水素量）を推定するものであり、実験などにより求めた値をベースに作成される。また、パージ水素量マップｍｐ３は、ＦＣ電流から水素オフガスを含むアノードオフガスの排出量（パージ水素量）を推定するためのマップである。
【００５３】
制御装置１６０は、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、エアストイキ比Ｒａ、燃料電池４０の温度、ポンピング水素量マップｍｐ２を利用してポンピング水素量Ａｐ１を推定する一方、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、パージ水素量マップｍｐ３を利用してパージ水素量Ａｐ２を推定し、目標とする低効率動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）における総排気水素量Ａｔを求める（下記式（１）参照）。
Ａｔ＝Ａｐ１＋Ａｐ２                                        ・・・（１）
【００５４】
制御装置１６０は、総排気水素量Ａｔを求めると、排気水素濃度を基準値以下にするのに必要なＦＣ必要エア流量、エア掃気量指令値、バイパスエア流量を導出する。具体的には、まず、下記式（２）を利用して燃料電池４０に必要なエア流量（ＦＣ必要エア流量）Ａｎを求める。
Ａｎ＝Ｉｔ＊｛４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）｝＊１００／２１    ・・・（２）
【００５５】
次に、制御装置１６０は、下記式（３）を利用して燃料電池４０で消費されるエア流量（ＦＣ消費エア流量）Ａｃを求めるとともに、下記式（４）を利用して排気水素濃度を基準値以下に希釈するのに必要なエア流量（総エア流量）Ａｄを求める。
Ａｃ＝Ｉｔ＊４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）      ・・・（３）
Ａｄ＝（Ａｔ＊１００／Ｄｔ）＋Ａｃ                          ・・・（４）
Ｄｔ；排気水素の目標濃度（％）
【００５６】
さらに、制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎにバイパス最低エア流量Ａｂｌを加算した値と総エア流量Ａｄとを比較し、大きい方をエアコンプレッサ６０のエア送気量指令値Ａｓｐとして設定する（下記式（５）参照）。そして、設定したエア送気量指令値ＡｓｐとＦＣ必要エア流量Ａｎを下記式（６）に代入することで、バイパスエア流量Ａｂｐを求める。なお、バイパス最低エア流量Ａｂｌは、低効率運転時にバイパスライン３１に流すべきエア流量の最小値をあらわす。
Ａｓｐ＝ＭＡＸ｛（Ａｎ＋Ａｂｌ）,（Ａｄ）｝                    ・・・（５）
Ａｂｐ＝Ａｓｐ−Ａｎ                                         ・・・（６）
【００５７】
制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐを求めると、エア調圧弁開度マップｍｐ４及びバイパス弁開度マップｍｐ５を参照する。エア調圧弁開度マップｍｐ４は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからエア調圧弁Ａ１の弁開度を決定するためのマップであり、バイパス弁開度マップｍｐ５は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからバイパス弁Ｂ１の弁開度を決定するためのマップである。
【００５８】
制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐ、エア調圧弁開度マップｍｐ４、バイパス弁開度マップｍｐ５を利用してエア調圧弁Ａ１の弁開度及びバイパス弁Ｂ１の弁開度を調整する。このとき、エア調圧弁Ａ１の弁開度は、電流センサＳ５によって検出されるＦＣ電流の測定値と目標値の偏差から生成するＰＩＤ補正項にて補正を行う。
【００５９】
さらに、制御装置１６０は、設定したエア送気量指令値Ａｓに従ってエアコンプレッサ６０の駆動を制御する過程で、低効率運転を終了すべきか否かを判定する。ここで、燃料電池４０の温度が予め設定された基準温度以上であれば低効率運転を終了する一方、基準温度を下回っていれば、上述した処理を継続する。
【００６０】
＜バイパス弁に関する処理＞
次に、ＦＣ発電状態＝急速暖機の場合のバルブ固着判定処理を図４のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御装置１６０は、低効率発電を実施するために、急速暖機を開始したときには、急速暖機が固着判定開始待ち時間以上継続したか否かを判定する（Ｓ１）。その結果、急速暖機が固着判定開始待ち時間以上継続したことを条件に（ＹＥＳ）、圧力センサＰ１（またはＰ２）の検出圧力（出口エア圧力フィルタ値）がバイパス弁固着判定圧力閾値マップｍｐ６に格納されたバルブ固着判定圧力閾値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２）。この判定結果、肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、バルブ固着判定時間以上継続したか否かを判定する（Ｓ３）。そして、この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、バイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常としてバイパス弁固着フラグをオンにし（Ｓ４）、このルーチンでの処理を終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ２において否定の判定結果が得られたときには（ＮＯ）、制御装置１６０は、電流センサＳ５の検出電流（ＦＣ電流フィルタ値）−ＦＣ電流指令値がバルブ固着判定電流閾値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ５）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ３、Ｓ４の処理に移行し、それ以外のときにはこのルーチンでの処理を終了する。
【００６２】
以上のような処理で、制御装置１６０は、圧力センサＰ１の検出圧力が閾値を超えたときまたは電流センサＳ５の検出電流と指令値との差が閾値を超えたときに、バイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常が発生したことを判定することができる。
【００６３】
次に、急速暖機を行うときの通常時におけるバイパス弁Ｂ１に対する開度指令値算出処理を図５のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御装置１６０は、バイパス弁固着フラグがオフか否かを判定する（Ｓ１１）。この判定の結果、バイパス弁固着フラグがオフになっていることを条件に（ＹＥＳ）、バイパス弁開度指令値を、急速暖機時のバイパス弁開度マップｍｐ７に格納された開度に設定し（Ｓ１２）、このルーチンでの処理を終了する。すなわち、急速暖機を行うときの通常時には、制御装置１６０は、バイパス弁Ｂ１に対する開度指令値を、急速暖機時のバイパス弁開度マップｍｐ７に格納された開度（ＦＣ必要エア量とバイパスエア流量を考慮した開度）に設定する。
【００６４】
次に、急速暖機を行うときの異常時におけるバイパス弁Ｂ１に対する開度指令値算出処理を図６のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御装置１６０は、バイパス弁固着フラグがオンで且つバイパス弁固着時切替完了フラグがオフであるか否かを判定する（Ｓ２１）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、条件成立として、今回（現時点）のバイパス弁開度指令値を前回のバイパス弁開度指令値（前回値）として（Ｓ２２）、このルーチンでの処理を終了する。
【００６５】
一方、ステップＳ２１で否定の判定結果が得られたときには（ＮＯ）、条件不成立として、制御装置１６０は、バイパス弁開度指令値＝０％（全閉）として（Ｓ２３）、このルーチンでの処理を終了する。
【００６６】
次に、圧力調整弁Ａ１に対するバイパス弁固着時切替判定処理を図７のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御装置１６０は、ＦＣ発電状態が通常発電で且つＦＣ間欠運転でない場合、バイパス弁固着フラグがオンで且つバイパス弁固着時切替完了フラグがオフか否かを判定する（Ｓ３１）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、条件が成立したとして、圧力調整弁開度指令値を希釈制御切替完了開度以上か否かを判定する（Ｓ３２）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、条件が成立したとして、バイパス弁固着時切替完了フラグをオンとし（Ｓ３３）、このルーチンでの処理を終了する。
【００６７】
一方、ステップＳ３２において否定の判定結果が得られたときには（ＮＯ）、バイパス弁固着フラグオンがバイパス弁固着時切替タイムアウト以上継続したか否かを判定する（Ｓ３４）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ３３の処理に移行する。一方、ステップＳ３４で否定の判定結果が得られたときには（ＮＯ）、バイパス弁固着時切替完了フラグをオフとし（Ｓ３５）、このルーチンでの処理を終了する。
【００６８】
次に、圧力調整弁Ａ１に対する他のバイパス弁固着時切替判定処理を図８のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御装置１６０は、ＦＣ発電状態が電圧降下の場合、バイパス弁固着フラグがオフか否かを判定する（Ｓ４１）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、条件が成立したとして、圧力調整弁開度指令値＝０％（全閉）として（Ｓ４２）、このルーチンでの処理を終了する。
【００６９】
一方、ステップＳ４１において否定の判定結果が得られたときには（ＮＯ）、制御装置１６０は、圧力調整弁開度指令値＝１００％（全開）として（Ｓ４３）、このルーチンでの処理を終了する。なお、ステップＳ４３においては、エア流量偏差（調圧）＝０、制御装置１６０におけるＰＩ（比例積分制御）における急速暖機時のエア調圧ＦＢ（フィードバック）比例項、ＦＢ積分項（前回値）、ＦＢ補正値を全て０とする。
【００７０】
次に、急速暖機時におけるコンプレッサ６０に対する処理を図９のフローチャートにしたがって説明する。
まず、制御装置１６０は、バイパス弁固着フラグがオンで且つバイパス弁固着時切替完了フラグがオフか否かを判定する（Ｓ５１）。この判定にて肯定の判定結果が得られたときには（ＹＥＳ）、条件が成立したとして、エアコンプレッサ送気量指令値＝希釈切替時エア量として（Ｓ５２）、このルーチンでの処理を終了する。一方、ステップＳ５１で否定の判定結果が得られたときには（ＮＯ）、エアコンプレッサ送気量指令値＝ＦＣ必要エア量＋急速暖機時エア流量ＦＢ補正値として（Ｓ５３）、このルーチンでの処理を終了する。
【００７１】
すなわち、制御装置１６０は、バイパス弁Ｂ１の異常時には、エアコンプレッサ６０の回転数を下げてエア吐出量を減少させるためのエアコン送気量指令値を設定する。
【００７２】
次に、急速暖機時におけるエア供給制御・水素希釈制御の詳細を図１０のブロック図にしたがって説明する。
本実施形態では、始動時、Ｐレンジを含む急速暖機モード運転時に、凍結などでバイパス弁Ｂ１が固着した場合は、バイパス弁Ｂ１を用いたバイパス制御を停止し、低効率動作点補正をエアコンプレッサ流量にて実施する。この際、ポンピング水素濃度が目標濃度を超えないように、低効率運転制御演算にて動作点にガードをかける急速暖機モード運転、例えばＤレンジ、Ｎレンジを含む低効率運転時にも、バイパス希釈制御を実施しないこととしている。
【００７３】
具体的には、制御装置１６０は、低効率運転制御演算部２００、エアストイキ比演算部２０２、エア送気量指令計算部２０４、ＦＣ必要エア量計算部２０６、低効率動作点補正部２０８としての機能を備えて構成されている。低効率運転制御演算部２００は、例えば、燃料電池システムに対する要求電力を基に低効率発電時における燃料電池４０に対するＦＣ電流指令値３００、ＦＣ電圧指令値３０２を算出する。エアストイキ比演算部２０２は、温度センサＴ２の検出によるＦＣ水温とＦＣ電流指令値３００を基に基準Ｉ−Ｖマップｍｐ８を検索して、ＦＣ基準電圧値３０４を抽出し、抽出したＦＣ基準電圧値３０４とＦＣ電圧指令値３０２との偏差を偏差算出器２１０で算出してエア濃度過電圧目標値３０６を生成し、エア濃度過電圧目標値３０６を基にエアストイキ比マップｍｐ９を検索して、エア濃度過電圧目標値３０６に対応したストイキ比マップ値３０８を抽出する。
【００７４】
ＦＣ必要エア量計算部２０６は、ＦＣ消費酸素量÷ｋ（係数）×ストイキマップ値３０８からＦＣ必要エア量３１０を算出する。
【００７５】
低効率動作点補正部２０８は、電流センサＳ５の検出によるＦＣ電流フィルタ値とＦＣ電流指令値３００との偏差を偏差算出器２１２で算出し、偏差算出器２１２の算出による電流を変換部２１４でエア量に変換し、変換部２１４の出力を基にＰＩ制御部２１６でＦＢ量を算出し、ＰＩ制御部２１６の算出結果とＦＣエア量３１０とを加算器２１８で加算し、加算器２１８の出力をエア送気量指令値３１２としてエアコンプレッサ６０に出力する。エアコンプレッサ６０は、エア送気量指令値３１２を回転数指令値として、その回転数を制御する。このエア送気量指令値３１２は、バイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常時には通常運転時よりもその回転数を下げる指令としてエアコンプレッサ６０に与えられる。そして、エアコンプレッサ６０の回転数が低下すると、エアコンプレッサ６０の回転数の低下に伴って、エアコンプレッサ６０のエア吐出量が低減することになる。
【００７６】
（本実施形態の利点）
以上で説明したように、本実施形態によれば、バイパス弁Ｂ１の閉故障に伴う異常が発生したときには、圧力調整弁Ａ１の開度を増加させ、エアコンプレッサ６０の回転数を下げてエア吐出量を低減させ、燃料電池４０に対する酸化ガスの供給量を少なくするとともに、カソードオフガスの排出流路を確保するようにしたため、燃料電池４０が過剰ストイキ比となるのを防止することができるとともに、バイパス弁Ｂ１の異常時でも低効率発電を実施するための急速暖機運転を継続することが可能になる。
【００７７】
なお、本実施形態によれば、圧力調整弁Ａ１が指定の開度まで開いたときには、急速暖機用回転数マップから得られたエア流量となるようにエアコンプレッサ６０の回転数を制御することで、電圧降下処理を継続することも可能である。
【００７８】
また本実施形態において、バイパス弁Ｂ１の異常を判定するに際して、電流センサＳ５の検出電流と電流指令値との差がバブル固着判定電流閾値を超えたか否かを判定する代わりに、電流センサＳ５の検出電流（ＦＣ電流フィルタ値）−ＦＣ電流指令値の差の絶対値または変化率がバルブ固着判定電流閾値を超えたか否かを判定することもできる。
【００７９】
また本実施形態において、燃料電池４０のエアの供給量を減少させる手段としてはコンプレッサの回転数を減少させることを例示したが、これに限定されない。燃料電池のエア供給圧を減少させることができれば、他の手段、例えば、エアを外部に逃がしたり、臨時収容タンクを開放したり、また他のバイパス路を備える場合にはその他のバイパス路を開放したり等、公知の技術を種々適用可能である。
【００８０】
また本実施形態において、燃料電池４０の排気側の圧力を下げる手段としては圧力調整弁Ａ１の開度を大きくすることを例示したが、これに限定されない。排気側の圧力を下げることができれば、他の手段、例えば、カソードオフガス経路に設けられたパージ弁を開いたり、臨時収容タンクを開放したり等、公知の技術を種々適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】本実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示す図である。
【図３Ａ】本実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図である。
【図３Ｂ】本実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図である。
【図４】急速暖機時におけるバルブ固着判定処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】急速暖機の通常時におけるバイパス弁に対する開度指令値算出処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】急速暖機の異常時におけるバイパス弁に対する開度指令値算出処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】圧力調整弁に対するバイパス弁固着時切替判定処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】圧力調整弁に対する電圧降下処理を説明するためのフローチャートである。
【図９】急速暖機時におけるエアコンプレッサに対する処理を説明するためのフローチャートである。
【図１０】急速暖機時のエア供給制御・水素希釈制御を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
３０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、５０・・・水素循環ポンプ、６０・・・エアコンプレッサ、７０・・・加湿モジュール、８０・・・希釈器、１１０・・・トラクションインバータ、１２０・・・補機インバータ、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０・・・バッテリ、１６０・・・制御装置、１８０・・・弁体位置検知センサ、Ａ１・・・圧力調整弁、Ｂ１・・・バイパス弁、１１・・・酸化ガス供給路、１２・・・カソードオフガス流路、Ｓ４・・・電圧センサ、Ｓ５・・・電流センサ、Ｔ１、Ｔ２・・・温度センサ、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・圧力センサ、ｍｐ１・・・低効率運転ストイキ比マップ、ｍｐ２・・・ポンピング水素量マップ、ｍｐ３・・・パージ水素量マップ、ｍｐ４・・・エア調圧弁開度マップ、ｍｐ５・・・バイパス弁開度マップ、ｍｐ６・・・ バイパス弁固着判定圧力閾値マップ、ｍｐ７・・・急速暖機時バイパス弁開度マップ、１００・・・燃料電池システム、２００・・・低効率運転制御演算部、２０２・・・エアストイキ比演算部、２０４・・・エア送気量指令値計算部、２０６・・・ＦＣ必要エア量計算部、２０８・・・低効率動作点補正部。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0004524804.tif 000005
【図４】
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【図５】
0004524804.tif 000007
【図６】
0004524804.tif 000008
【図７】
0004524804.tif 000009
【図８】
0004524804.tif 000010
【図９】
0004524804.tif 000011
【図１０】
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