(57)【要約】【課題】燃料電池システムの運転停止処理において、エア入口弁の閉止判断をより適切に行うことである。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を開きエア調圧弁を閉じる処理を行い、エアバイパス弁が指令開度となる遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となる遅れ時間とに基いて、出口エア圧力が上昇して所定の上昇閾値圧力Ｐ1になるまでの圧力上昇遅れ時間ｔd1を求め、これに基いてエアバイパス弁開放及びエア調圧弁閉止判断を行い、この判断に従って時刻ｔ3においてエア入口弁を閉じる処理をする。そして、エア入口弁が指令開度となる遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して所定の低下閾値圧力Ｐ2になるまでの圧力低下遅れ時間ｔd2を求め、これに基いてエア入口弁閉止判断を行う。そして、この判断に従ってエア出口弁を閉処理する。【選択図】図３
2009158268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのカソード側において、酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、酸化ガス排出口に直列に接続されるエア調圧弁とエア出口弁と、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、を備える燃料電池システムであって、
燃料電池スタックの運転停止の際に、
エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、
エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、
エア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、
エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断を行う判断手段と、
判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池スタックの酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、
燃料電池スタックの酸化ガス排出口に設けられるエア調圧弁と、
エア調圧弁の下流側に設けられるエア出口弁と、
燃料電池スタックに並列に設けられ、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、
燃料電池スタックの運転を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
燃料電池スタックの運転停止の際に、
エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、
エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、
エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア調圧弁とエア出口弁の間における出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力になるまでの圧力上昇遅れ時間を求め、求められた圧力上昇遅れ時間に基いてエアバイパス弁開放及び調圧弁閉止判断を行う第１判断手段と、
第１判断手段の判断に従ってエア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、
エア入口弁が指令開度となるまでの遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力になるまでの圧力低下遅れ時間を求め、求められた圧力低下遅れ時間に基いてエア入口弁閉止判断を行う第２判断手段と、
第２判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
出口エア圧力を検出する圧力検出手段を備え、
第２判断手段は、
圧力検出手段の検出結果に基いてエア入口弁閉止判断を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
第２判断手段は、
圧力検出手段が圧力低下方向に出口エア圧力が変化したことを検出してから、圧力低下遅れ時間に基いて予め定めた所定の閾値時間を経過しても出口エア圧力の検出値が出口低下閾値圧力を下回らないときには、閾値時間が経過したときにエア入口弁閉止判断を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【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、燃料電池スタックのカソード側にエア入口弁とエア出口弁とを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガス、例えば適当に加圧された空気を供給し、電解質膜を含むＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を通しての反応によって必要な電力を取り出す。このときに、電気化学反応の結果として水が生成される。
【０００３】
ここで燃料電池システムにおいては、酸化ガス、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する流体流路管路には、これらのガスの供給及び停止を行うための各種の弁が設けられる。そして、燃料電池システムの運転停止の際には、燃料電池スタックを構成するＭＥＡ等の保護のために、これら各種の弁の開閉処理が行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、固体高分子電解質形燃料電池の運転方法として、燃料電池本体への燃料ガス供給ライン、酸化剤ガス供給ライン、燃料電池本体からの燃料ガス排出ライン、酸化剤ガス排出ラインのそれぞれに開閉バルブを設けることが開示されている。そして、発電運転停止状態、特に発電運転の停止直後においては固体高分子電解質膜から水分が蒸発して電池の外部へ流出するが、これを抑制するため、発電運転を停止したとき、直ちにこれら４つの開閉バルブを閉状態に移行することが述べられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に述べられるように、燃料電池システムの運転停止の際に、酸化ガスの供給側と排出側とを閉止し、燃料電池スタックを密閉した状態にすることが行われる。このときに、燃料電池スタックの内部が過剰に加圧されないように、酸化ガスの供給側のエア入口弁を先に閉じ、エア出口弁側の圧力が低下してからエア出口弁を閉じるようにすることが好ましい。
【０００７】
ここで、エア入口弁が閉止されたことの判断は、エア出口圧力の監視で行うことができるが、圧力検出手段に凍結等の恐れがある場合には、時間管理で行うことになる。ここで、エア入口弁の閉止判断が不適切であると、上記のように燃料電池スタックの内部が送込まれる酸化ガスで加圧され、その加圧状態でエア出口弁が閉じられる恐れがある。この場合には、エア入口弁、エア出口弁等の封止力が低下し、場合によっては大気等が燃料電池スタック内に侵入して、ＭＥＡの変質を招く恐れがある。
【０００８】
本発明の目的は、エア入口弁の閉止判断をより適切に行うことを可能にする燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックのカソード側において、酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、酸化ガス排出口に直列に接続されるエア調圧弁とエア出口弁と、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、を備える燃料電池システムであって、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、エア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断を行う判断手段と、判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの酸化ガス供給口に接続されるエア入口弁と、燃料電池スタックの酸化ガス排出口に設けられるエア調圧弁と、エア調圧弁の下流側に設けられるエア出口弁と、燃料電池スタックに並列に設けられ、エア入口弁と燃料電池スタックとの間に一方端が接続され、エア調圧弁とエア出口弁との間に他方端が接続されるエアバイパス弁と、燃料電池スタックの運転を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させるバイパス弁処理手段と、エアバイパス弁の開指令処理に伴って、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させる調圧弁閉処理手段と、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア調圧弁とエア出口弁の間における出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力になるまでの圧力上昇遅れ時間を求め、求められた圧力上昇遅れ時間に基いてエアバイパス弁開放及び調圧弁閉止判断を行う第１判断手段と、第１判断手段の判断に従ってエア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる入口弁処理手段と、エア入口弁が指令開度となるまでの遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力になるまでの圧力低下遅れ時間を求め、求められた圧力低下遅れ時間に基いてエア入口弁閉止判断を行う第２判断手段と、第２判断手段の判断に従ってエア出口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる出口弁処理手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、出口エア圧力を検出する圧力検出手段を備え、第２判断手段は、圧力検出手段の検出結果に基いてエア入口弁閉止判断を行うことが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、第２判断手段は、圧力検出手段が圧力低下方向に出口エア圧力が変化したことを検出してから、圧力低下遅れ時間に基いて予め定めた所定の閾値時間を経過しても出口エア圧力の検出値が出口低下閾値圧力を下回らないときには、閾値時間が経過したときにエア入口弁閉止判断を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、燃料電池スタックの運転停止の際に、エアバイパス弁を指定開度となるように開方向に作動させ、エア調圧弁を指定開度となるように閉方向に作動させ、エア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させる。そして、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断を行う。これにより、エア出口圧力を判断に用いることができないときでも、各種弁の作動の遅れ時間を考慮した時間管理を行うことができるので、エア入口弁の閉止判断をより適切に行える。
【００１４】
また、上記構成の少なくとも１つにより、エア入口弁の閉止までの判断を、２段階に分けて行うことができる。すなわち、エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア調圧弁とエア出口弁の間における出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力になるまでの圧力上昇遅れ時間を求め、求められた圧力上昇遅れ時間に基いてエアバイパス弁開放及び調圧弁閉止の第１段階の判断を行い、この判断に従ってエア入口弁を指定開度となるように閉方向に作動させエア入口弁が指令開度となるまでの遅れ時間に基いて、出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力になるまでの圧力低下遅れ時間を求め、求められた圧力低下遅れ時間に基いてエア入口弁閉止判断を行う第２段階の判断を行う。これによって、エア入口弁の閉止判断をより一層適切に行える。
【００１５】
また、燃料電池システムにおいて、出口エア圧力を検出する圧力検出手段を備えて、圧力検出手段を用いることができるときは、その検出結果に基いてエア入口弁閉止判断を行うので、実際の圧力状態に応じたエア入口弁の閉止判断を行うことができる。
【００１６】
また、燃料電池システムにおいて、圧力検出手段が圧力低下方向に出口エア圧力が変化したことを検出してから、圧力低下遅れ時間に基いて予め定めた所定の閾値時間を経過しても出口エア圧力の検出値が出口低下閾値圧力を下回らないときには、閾値時間が経過したときにエア入口弁閉止判断を行う。これにより、圧力検出手段を備えていても、その検出結果の信頼性が低いときには、エア入口弁の作動の遅れ時間を考慮した時間管理により、エア入口弁の閉止判断を適切に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池システムがハイブリッド車両に搭載されるものとして説明するが、ハイブリッド車両以外の車両、例えばエンジンを搭載しない電気自動車であってもよい。また、燃料電池システムは、車両に搭載されるもの以外、例えば、定置型の燃料電池システムであってもよい。また、エア入口弁、エア出口弁等は、気体制御弁であるシャット弁として説明するが、勿論、これ以外の弁であっても、その開閉作動遅れ特性等が予め評価されているものであれば、これを用いることができる。例えば、電磁弁等を用いることができる。
【００１８】
図１は、ハイブリッド車両に搭載された燃料電池システム１０の構成を説明する図である。燃料電池システム１０は、燃料電池本体２０と、燃料電池本体２０の運転制御を行う制御部７０とを含んで構成される。
【００１９】
燃料電池本体２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。
【００２０】
燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡの両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、燃料電池スタック２２は、ＦＣスタックと呼ばれることもある。
【００２１】
アノード側の燃料ガスタンク２６は、水素ガス源であって、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源である燃料ガスタンク２６に接続されるレギュレータ４６は、水素ガス源である燃料ガスタンク２６からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ４６の出力口に設けられる圧力計は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ４６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。
【００２２】
燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器４７は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ４８を通して希釈器２８に流すためのものである。また、分流器４７の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器４９は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００２３】
カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタを通してからエアコンプレッサ（ＡＣＰ）４２に供給される。ＡＣＰ４２は、モータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４２は、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。ＡＣＰ４２の回転数は、回転数検出器６４によって取得することができる。
【００２４】
ＡＣＰ４２の下流側に設けられるインタクーラ（Ｉ／Ｃ）４４は、燃料電池スタック２２を冷却するための冷媒と、酸化ガスとの間の熱交換器である。すなわち、燃料電池スタック２２の起動時等で冷却用冷媒の温度が低温のとき等には、これよりは暖かい酸化ガスによって冷却用冷媒を暖め、一方、燃料電池スタック２２が定常運転となって冷却用冷媒の温度が高くなるとき等には、これよりは低温の酸化ガスによって冷却用冷媒を冷却する機能を有する。
【００２５】
加湿モジュール２４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するもので、加湿器とも呼ばれる。加湿モジュール２４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿モジュール２４に戻されて、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿モジュール２４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。
【００２６】
ここで、上記の酸化ガス源４０と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことをＩＮ側流路、あるいは入口側流路、あるいは供給側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路をＯＵＴ側流路、あるいは出口側流路、あるいは排気側流路と呼ぶことができる。
【００２７】
したがって、酸化ガスの経路である酸化ガス経路は、酸化ガス源４０から加湿モジュール２４を経由してＩＮ側流路よりエア入口弁３２を介して燃料電池スタック２２の内部に入り、燃料電池スタック２２の内部からＯＵＴ側流路に出て、エア出口弁３４を介して加湿モジュール２４を経由して外気へと延びる。
【００２８】
なお、ＩＮ側流路に平行に、加湿モジュール２４をバイパスするように、加湿モジュールバイパス弁３６を介して、バイパス流路が設けられる。この流路は、加湿モジュールバイパス流路と呼ばれ、例えば、燃料電池スタック２２に、ＤＲＹな酸化ガスを強制的に供給して、掃気等を行う場合に用いられるものである。
【００２９】
ＩＮ側流路において加湿モジュール２４の手前に設けられる圧力計６０は、供給酸化ガスの圧力を検出する測定器である。加湿モジュール２４の手前に設けられるのは、加湿前の酸化ガス、すなわちＤＲＹガスの圧力を測定するためである。したがって、圧力計６０は、その測定対象からいえば、ＤＲＹ圧力検出手段であり、設けられる場所からいえば、インタクーラ出口圧力を検出するＩ／Ｃ出口圧力センサでもある。
【００３０】
また、ＯＵＴ側流路において燃料電池スタック２２の出口のあとに設けられる圧力計６２は、使用済みガスの圧力、つまり排気ガス圧を検出する測定器である。この圧力計６２は、先ほどの圧力計６０と対比すると、燃料電池スタック２２の出口エア圧力を検出する出口エア圧力検出手段である。
【００３１】
また、出口エア圧力検出手段である圧力計６２の後に設けられるエア調圧弁４５は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。エア調圧弁４５の出力口は、上記の加湿モジュール２４に接続されるので、エア調圧弁４５を出たガスは加湿モジュール２４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器２８に入り、その後外部に排出される。
【００３２】
希釈器２８は、アノード側の排気バルブ４８からの排水混じりの水素、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度に希釈して外部に排出するためのバッファ容器である。希釈用のガスとしては、酸化ガスが用いられ、そのために、エアバイパス弁３８を介するエアバイパス流路が燃料電池スタック２２に並列に、具体的には加湿モジュール２４に並列に設けられる。
【００３３】
エアバイパス弁３８は、上記のようにエアバイパス流路に設けられる弁で、一方端がエア入口弁３２と燃料電池スタック２２との間に接続され、他方端がエア調圧弁４５とエア出口弁３４との間にされる。
【００３４】
ここで、エア入口弁３２、エア出口弁３４、加湿モジュールバイパス弁３６、エアバイパス弁３８は、前者２つが通常は開状態であり、後者２つが通常は閉状態であることが相違するが、ほぼ同じ構造である。これら４つは、圧力室の内圧に応じて作動するピストン等の可動子を有する気体制御弁である。
【００３５】
これらの気体制御弁として、具体的には、ダイヤフラム型のシャット弁を用いることができる。ダイヤフラム型のシャット弁は、ダイヤフラムの変位に管路開閉用の可動子の進退を連動させるものとし、ダイヤフラムの両側に２つの圧力室が設けられる。そして、一方側の圧力室の内圧と、他方側の圧力室の内圧を、高圧と低圧との間で切り換えることでダイヤフラムを変位させ、ピストン等の可動子を進退させて管路を開閉するものである。
【００３６】
図１におけるＰＳＶボックス５０は、エア入口弁３２、エア出口弁３４、加湿モジュールバイパス弁３６、エアバイパス弁３８にそれぞれ接続される電磁弁５２をまとめて収納する容器体である。電磁弁５２は、ＡＣＰ４２からの酸化ガス、ここでは高圧空気の供給を受け、大気圧を低圧として、高圧気体と低圧気体とを切り換えて、エア入口弁３２等の２つの圧力室にそれぞれ供給する機能を有する。電磁弁５２は、高圧気体と低圧気体とを切り換えて供給する機能を有することから、ＰＳＶ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｖａｌｖｅ）と呼ばれ、したがって、これらをまとめた容器体がＰＳＶボックス５０と呼ばれる。
【００３７】
ここで、燃料電池システム１０の運転停止処理に関係するエア入口弁３２、エア出口弁３４、エアバイパス弁３８、エア調圧弁４５について、その機能と開閉作動をさらに詳しく説明する。
【００３８】
エア入口弁３２は、通常は開状態で、燃料電池システム１０が運転停止したとき等に閉状態とされる開閉弁である。燃料電池システム１０が運転停止したときに供給側流路を閉じて酸化ガスの供給を止めるのは、燃料電池スタック２２に含まれる触媒層等の酸化を抑制する等のためである。
【００３９】
また、エア出口弁３４は、エア入口弁３２と同様に、通常は開状態で、燃料電池システム１０が運転停止したときに閉状態とされる開閉弁である。
【００４０】
また、加湿モジュールバイパス弁３６は、通常は閉状態で、上記のように、掃気等で必要なときに開状態とされる開閉弁である。
【００４１】
また、エアバイパス弁３８は、通常は閉状態で、上記のように、希釈等で必要なときに開状態とされる開閉弁である。もっとも、低温時等の場合には、掃気等のために、エアバイパス弁３８は少し開いて、適度なエアバイパス流路から酸化ガス排気流路にエアが流される。また、燃料電池システム１０の運転停止時には、エアバイパス弁３８が開く処理が行われる。
【００４２】
エア調圧弁４５は、上記のように、燃料電池システム１０の運転時には、その要求発電量に応じた酸化ガスを流すために、その開度が調整制御される。そして、燃料電池システム１０の運転停止時には、エア出口弁３４の閉止処理に先立って閉じる処理が行われる。
【００４３】
制御部７０は、燃料電池本体２０の各要素の作動を全体として制御し、燃料電池スタック２２を所望の出力で発電運転する機能を有する。そして、ここでは特に、燃料電池システム１０の運転停止における各種弁についてその開閉処理を適切に実行させる機能を有する。そのために、制御部７０は、エアバイパス弁開処理・調圧弁閉処理モジュール７２、エア入口弁閉処理モジュール７４、エア入口弁閉止判断モジュール７６、エア出口弁閉処理モジュール７８を含む。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、燃料電池運転プログラムの中の運転停止処理プログラムの実行によって実現できる。
【００４４】
上記構成の作用、特に制御部７０の機能について、図２、図３を用いて以下に詳細に説明する。図２は、燃料電池システム１０における運転停止の際の各種弁の開閉処理についての手順を示すフローチャートで、各手順は、燃料電池運転プログラムの中の運転停止処理プログラムの各処理手順に対応する。図３は、燃料電池システム１０における運転停止の際の各要素の状態変化を説明する図で、横軸は時間で、縦軸には、上段から下段に向かって、エアバイパス弁３８の開閉指令、エア調圧弁４５の開閉指令、エアバイパス弁３８の開度、エア調圧弁４５の開度、圧力計６２の位置における出口エア圧力、エア入口弁３２の開閉指令、エア入口弁３２の開度、エア出口弁３４の開閉指令、遅れ時間がそれぞれ示されている。
【００４５】
図２に示されるように、燃料電池システム１０における運転停止処理では、エアバイパス弁３８の開処理（Ｓ１０）が行われ、これに対応してエア調圧弁４５の閉処理（Ｓ１２）が行われる。この工程は、制御部７０のエアバイパス弁開処理・調圧弁閉処理モジュール７２の機能によって実行される。
【００４６】
実際には、エアバイパス弁３８は掃気等のためにすでに少しの開度を有している場合があり、同様にエア調圧弁４５もすでに少しの開度に制限されている場合があるので、その場合においては、Ｓ１０は、エアバイパス弁３８を指定開度となるように開方向に作動させる処理、Ｓ１２は、エアバイパス弁３８の開指令処理に伴って、エア調圧弁４５を指定開度となるように閉方向に作動させる処理である。
【００４７】
図３では、時刻ｔ1において、エアバイパス弁３８の開指令が行われ、これに対応して時刻ｔ2においてエア調圧弁４５の閉指令処理が行われる様子が示されている。そして、エアバイパス弁３８の実際の開度の変化は、時刻ｔ1よりやや遅れて開始され、気体制御弁の立上り特性に従って、指定開度に向かって開度が大きくなる様子が示されている。エアバイパス弁３８の開度立上り特性は、気体制御弁の内部構成の圧力室に供給される気体圧、すなわちＡＣＰ４２からのエア圧と、エアバイパス弁３８の仕様に基いて予め取得することができる。
【００４８】
同様に、エア調圧弁４５の実際の開度の変化は、時刻ｔ2よりやや遅れて開始され、例えばバタフライ弁の立下り特性に従って、指定開度に向かって開度が小さくなる様子が示されている。バタフライ弁であるエア調圧弁４５の開度立下り特性は、出口エア圧力と、エア調圧弁４５の仕様に基いて予め取得することができる。
【００４９】
このように、エアバイパス弁３８の開度立上り特性によって、エアバイパス弁３８が指定開度となるまでに遅れ時間が発生し、エア調圧弁４５の開度立下り特性によって、エア調圧弁４５が指定開度となるまでに遅れ時間が発生する。これによって、図３に示されるように、圧力計６２のところにおける出口エア圧力が上昇して予め定めた所定の上昇閾値圧力Ｐ1になるまでに、ある程度の遅れ時間が生じる。エアバイパス弁３８の開指令の時刻ｔ1、あるいはエア調圧弁４５の閉指令の時刻ｔ2からのこの遅れ時間を、圧力上昇遅れ時間と呼ぶことができる。図３の例では、時刻ｔ2から上昇閾値圧力Ｐ1になるまでの時間が、圧力上昇遅れ時間として、ｔd1として示されている。
【００５０】
この圧力上昇遅れ時間ｔd1は、上記のように、エアバイパス弁３８の開度立上り特性と、エア調圧弁４５の開度立下り特性とに基いて予め取得することができる。詳しくは、エアバイパス弁３８の内部構成の圧力室に供給されるＡＣＰ４２からのエア圧と、エアバイパス弁３８の仕様と、エア調圧弁４５にかかる出口エア圧力と、エア調圧弁４５の仕様等に基いて予め取得することができる。
【００５１】
再び図２に戻り、出口エア圧力をＰとして、Ｐが上昇閾値圧力Ｐ1以上か否かが判断(Ｓ１４)されて、肯定であるとＳ１８に進み、エアバイパス弁３８の開放とエア調圧弁４５の閉止とが完了したと判断され、エア入口弁３２の閉処理が行われる。出口エア圧力Ｐは、圧力計６２によって検出される値を用いることができる。ところで、低温下等の条件のときは、圧力計６２が正常に作動しないことがある。例えば、低温下において、水分が凍結し、圧力計６２が作動しないことが起こり得る。また、凍結に至らないまでも、圧力計６２の検出値が不確かなものとなることがある。
【００５２】
この場合には、予め取得されている圧力上昇遅れ時間ｔd1を圧力上昇閾値時間として、圧力上昇経過時間がｔd1以上であるか否かが判断される（Ｓ１６）。この判断処理を、後述のＳ２４の判断と区別して、第１判断処理と呼ぶことができる。そして、Ｓ１６で判断が肯定されると、圧力計６２の検出値にかかわらず、Ｓ１８に進み、エアバイパス弁３８の開放とエア調圧弁４５の閉止とが完了したと判断され、エア入口弁３２の閉処理が行われる。
【００５３】
すなわち、圧力計６２の検出値であるエア出口圧力Ｐが上昇閾値圧力Ｐ1以上となる時刻か、圧力上昇経過時間がｔd1となる時刻か、いずれか早い時刻で、エアバイパス弁３８の開放とエア調圧弁４５の閉止とが完了したと判断され、Ｓ１８の処理が行われる。図３では、これらの時刻が一致しているものとして、時刻ｔ3が示されている。そして、Ｓ１８では、まずエア入口弁３２の閉指令が出される。図３では、時刻ｔ3において、エア入口弁３２の閉指令が行われている様子が示される。ここまでの処理は、制御部７０のエア入口弁閉処理モジュール７４の機能によって実行される。
【００５４】
図３では、時刻ｔ3において、エア入口弁３２の開指令が行われ、エア入口弁３２の実際の開度の変化は、時刻ｔ3よりやや遅れて開始され、気体制御弁の立上り特性に従って、指定開度に向かって開度が小さくなる様子が示されている。エア入口弁３２の開度立下り特性は、気体制御弁の内部構成の圧力室に供給される低圧、すなわち大気圧と、エア入口弁３２の仕様に基いて予め取得することができる。
【００５５】
このように、エア入口弁３２の開度立下り特性によって、エア入口弁３２が指定開度の閉状態となるまでに遅れ時間が発生する。これによって、図３に示されるように、圧力計６２のところにおける出口エア圧力が低下して予め定めた所定の低下閾値圧力Ｐ2になるまでに、ある程度の遅れ時間が生じる。エア入口弁３２の閉指令の時刻ｔ3からのこの遅れ時間を、圧力低下遅れ時間と呼ぶことができる。図３の例では、時刻ｔ2から低下閾値圧力Ｐ2になるまでの時間が、圧力低下遅れ時間として、ｔd2として示されている。
【００５６】
この圧力低下遅れ時間ｔd2は、上記のように、エア入口弁３２の開度立下り特性に基いて予め取得することができる。詳しくは、エア入口弁３２の内部構成の圧力室に供給される低圧である大気圧と、エア入口弁３２の仕様等に基いて予め取得することができる。
【００５７】
再び図２に戻り、出口エア圧力をＰとして、Ｐが低下閾値圧力Ｐ2以下か否かが判断(Ｓ２０)されて、肯定であると、エア入口弁が閉じたとの閉止判断がなされる（Ｓ２４）。出口エア圧力Ｐは、圧力計６２によって検出される値を用いることができる。しかし、上記のように、圧力計６２が正常に作動しないことがあり、圧力計６２の検出値が不確かなものとなることがある。
【００５８】
この場合には、予め取得されている圧力低下遅れ時間ｔd2を圧力低下閾値時間として、圧力低下経過時間がｔd2以上であるか否かが判断される（Ｓ２２）。この判断処理を、上記のＳ１６の判断と区別して、第２判断処理と呼ぶことができる。そして、Ｓ２２で判断が肯定されると、圧力計６２の検出値にかかわらず、Ｓ２４に進み、エア入口弁が閉じたとの閉止判断がなされる。
【００５９】
すなわち、圧力計６２の検出値であるエア出口圧力Ｐが低下閾値圧力Ｐ2以下となる時刻か、圧力低下経過時間がｔd2となる時刻か、いずれか早い時刻で、Ｓ２４のエア入口弁閉止判断がなされる。図３では、これらの時刻が一致しているものとして、時刻ｔ4が示されている。ここまでの処理は、制御部７０のエア入口弁閉止判断モジュール７６の機能によって実行される。
【００６０】
もっとも、圧力計６２の検出値が不確かなときは、時刻ｔ1またはｔ2から起算して、圧力上昇経過時間がｔd1となる時刻で第１判断によってエア入口弁３２が閉処理され、その時刻からさらに圧力低下経過時間がｔd2となる時刻で第２判断によってエア入口弁閉止判断がなされる。したがって、この場合には、時刻ｔ1またはｔ2から起算して、ｔd1＋ｔd2の時間の経過によって、エア入口弁３２の閉止判断がなされると考えることができる。
【００６１】
そして、このエア入口弁閉止判断がなされると、これに従ってエア出口弁３４の閉指令が出される。図３では、時刻ｔ4において、エア出口弁３４の閉指令が行われている様子が示される。この処理は、制御部７０のエア出口弁閉処理モジュール７８の機能によって実行される。
【００６２】
このように、  エアバイパス弁が指令開度となるまでの遅れ時間と、エア調圧弁が指令開度となるまでの遅れ時間とに基いて、エア入口弁閉止判断がなされるので、エア入口弁の閉止判断をより適切に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおける運転停止の際の各種弁の開閉処理についての手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムにおける運転停止の際の各要素の状態変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池本体、２２  燃料電池スタック、２４  加湿モジュール、２６  燃料ガスタンク、２８  希釈器、３２  エア入口弁、３４  エア出口弁、３６  加湿モジュールバイパス弁、３８  エアバイパス弁、４０  酸化ガス源、４２  ＡＣＰ、４４  インタクーラ、４５  エア調圧弁、４６  レギュレータ、４７  分流器、４８  排気バルブ、４９  循環昇圧器、５０  ＰＳＶボックス、５２  電磁弁、６０，６２  圧力計、６４  回転数検出器、７０  制御部、７２  エアバイパス弁開処理・調圧弁閉処理モジュール、７４  エア入口弁閉処理モジュール、７６  エア入口弁閉止判断モジュール、７８  エア出口弁閉処理モジュール。
【図１】
2009158268.tif 000003
【図２】
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【図３】
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