JP2009158270A

JP2009158270A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009158270A
Application number: JP2007334654A
Authority: JP
Inventors: Naohisa Tsuchiya; 尚久土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP5309558B2

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、エア出入口の弁の開弁判定手段の故障のときに適切に対応することである。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池本体２０と制御部７０とを含み、制御部７０は、圧力計６０の故障のときに、適切に対応する機能を有し、圧力計６０であるＩ／Ｃ出口圧センサが正常か否かを判断するＩ／Ｃ出口圧センサ状態判断モジュール７２と、圧力計６０が正常でないときに、燃料電池スタック２２の始動時におけるエア入口弁３２とエア出口弁３４を含む出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理モジュール７４と、ＡＣＰ４２の損失電力の算出手順を変更するＡＣＰ処理モジュール７６と、加湿モジュールバイパス弁３６の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理モジュール７８とを含む。
【選択図】図１

Description

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含む出入口弁部を有する燃料電池システムに関する。

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（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）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。

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の際には、これら各種の弁の開閉処理が行われる。

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。

特開２００４−６１６６号公報

特許文献１では、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述べられている。ところで、燃料電池システムの始動の際には、酸化ガスの供給側に設けられるエア入口弁と酸化ガスの排出側に設けられるエア出口弁とを開く処理が行われ、この開弁判定を行った後で通常の発電運転制御に入る。

この開弁判定には、酸化ガス供給に用いられるエアコンプレッサ（ＡＣＰ）とエア入口弁との間に設けられる圧力検出手段が用いられる。したがって、この開弁判定手段が故障すると、エア入口弁、エア出口弁の開弁が確認されないまま発電運転制御を開始してしまう恐れがある。特許文献１では、各種弁の閉止について述べているが、その後に続く開弁処理の判定については述べられていない。

本発明の目的は、エア出入口の弁の開弁判定手段の故障のときに対応可能な燃料電池システムを提供することである。

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設けられるエア入口弁とエア出口弁とを含む出入口弁部と、出入口弁部の開弁判定を行う開弁判定手段と、開弁判定手段によって開弁判定ができない場合に、予め定めた所定の待機時間を経過したときに出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断する出入口弁処理手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサと、開弁判定手段としてエアコンプレッサと出入口弁部との間に設けられ、エアコンプレッサ側圧力を検出するエアコンプレッサ側圧力検出手段と、エア出口弁のところにおける圧力である出口エア圧力を検出する出口エア圧力検出手段と、開弁判定手段によって開弁判定ができない場合に、エアコンプレッサ側圧力とに基く損失電力算出手段に代えて、出口エア圧力とに基く損失電力算出手段を用いて、エアコンプレッサの損失電力を求めるエアコンプレッサ処理手段と、を備えることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックに酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサと、燃料電池スタックに並列に配置され、エアコンプレッサから供給される酸化ガスを加湿して燃料電池スタックに供給する加湿モジュールと、エアコンプレッサと加湿モジュールとの間に設けられ、加湿モジュールに供給される酸化ガスの圧力を検出するエアコンプレッサ側圧力検出手段と、加湿モジュールを経由せずにエアコンプレッサから燃料電池スタックに直接酸化ガスを供給するために設けられる加湿モジュールバイパス流路に設けられる加湿モジュールバイパス弁と、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、燃料電池スタック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、エアコンプレッサ側圧力検出手段の故障を検出する故障検出手段と、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、故障検出手段がエアコンプレッサ側圧力検出手段の故障を検出したときに、燃料電池スタックの始動時におけるエア入口弁とエア出口弁を含む出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理手段と、エアコンプレッサの損失電力の算出手順を変更するエアコンプレッサ処理手段と、加湿モジュールバイパス弁の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理手段と、の中の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、出入口弁処理手段は、出入口弁部の開弁処理が行われてから、予め定めた所定の待機時間を経過したときに、エアコンプレッサ側圧力検出手段の検出値にかかわらず、出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、エア出口弁のところにおける圧力である出口エア圧力を検出する出口エア圧力検出手段を備え、エアコンプレッサ処理手段は、出口エア圧力検出手段が正常か否かの判断を行う判断手段と、判断手段によって正常であると判断される場合に、エアコンプレッサ側圧力検出手段が故障でないときに用いられる損出算出手段であるエアコンプレッサ側圧力とに基く第１損失電力算出手段に代えて、出口エア圧力とに基く第２損失電力算出手段を用い、判断手段によって正常でないと判断される場合には、電力分配が破綻しない範囲で予め定めた所定固定値を出口エア圧力として、所定固定圧力値に基く第３損失電力算出手段を用いて、エアコンプレッサの損失電力を求める手段と、を有することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加湿モジュールバイパス処理手段は、加湿モジュールバイパス弁が閉状態の場合は、閉状態のまま開弁処理を制限し、加湿モジュールバイパス弁が開状態の場合は、開弁処理を制限して閉弁処理を行うことが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、出入口弁部の開弁判定を行う開弁判定手段によって開弁判定ができない場合に、予め定めた所定の待機時間を経過したときに出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断する。したがって、エア出入口の弁の開弁判定手段の故障のときに、出入口弁の開弁処理について対応可能となる。

また、燃料電池システムにおいて、開弁判定手段としてエアコンプレッサ側圧力検出手段を用いるとき、開弁判定手段によって開弁判定ができないような故障がある場合に、エアコンプレッサ側圧力に基く損失電力算出手段に代えて、出口エア圧力とに基く損失電力算出手段を用いて、エアコンプレッサの損失電力を求める。したがって、エア出入口の弁の開弁判定手段の故障のときに、エアコンプレッサの損失電力を含めた電力分配について対応可能となる。

また、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ側圧力検出手段は、出入口弁部の開弁判定をするのに用いることができる。そして燃料電池システムは、そのエアコンプレッサ側圧力検出手段の故障を検出したときに、燃料電池スタックの始動時におけるエア入口弁とエア出口弁を含む出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理手段と、エアコンプレッサの損失電力の算出手順を変更するエアコンプレッサ処理手段と、加湿モジュールバイパス弁の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理手段と、の中の少なくとも１つを含む。したがって、エアコンプレッサ側圧力検出手段の故障のときでも、出入口弁部の作動処理、エアコンプレッサの損失電力算出処理、加湿モジュールバイパス弁の開閉処理の少なくとも１つに対応することができる。

また、燃料電池システムにおいて、出入口弁処理手段は、出入口弁部の開弁処理が行われてから、予め定めた所定の待機時間を経過したときに、エアコンプレッサ側圧力検出手段の検出値にかかわらず、出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断する。したがって、エア出入口の弁の開弁判定手段の故障のときに、出入口弁の開弁処理について対応可能となる。

また、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ処理手段は、出口エア圧力検出手段が正常か否かの判断を行い、正常であると判断される場合に、エアコンプレッサ側圧力に基く第１損出算出手段に代えて出口エア圧力に基く第２損失電力算出手段を用い、判断手段によって正常でないと判断される場合には、電力分配が破綻しない範囲で予め定めた所定固定値を出口エア圧力として、所定固定圧力値に基く第３損失電力算出手段を用いて、エアコンプレッサの損失電力を求める手段と、を有することが好ましい。したがって、エア出入口の弁の開弁判定手段であるエアコンプレッサ側圧力検出手段の故障のときに、エアコンプレッサの損失電力を含めた電力分配について対応可能となる。

また、燃料電池システムにおいて、加湿モジュールバイパス処理手段は、加湿モジュールバイパス弁が閉状態の場合は、閉状態のまま開弁処理を制限し、加湿モジュールバイパス弁が開状態の場合は、開弁処理を制限して閉弁処理を行う。したがって、エア出入口の弁の開弁判定手段であるエアコンプレッサ側圧力検出手段の故障のときに、加湿モジュールバイパス弁を閉側に持っていく処理を行うことで、燃料電池スタックの乾燥防止等の対応ができる。

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よく、例えば、電磁弁等を用いることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、エアコンプレッサ側圧力検出手段であり、詳しくは、インタクーラ出口圧力を検出するＩ／Ｃ出口圧センサでもある。以下では、圧力計６０を指すときに、Ｉ／Ｃ出口圧センサと呼ぶこととし、必要に応じ、エアコンプレッサ側圧力検出手段と呼ぶことにする。

この圧力計６０は、エア入口弁３２とエア出口弁３４の開状態と閉状態が正常であるか否かを判定するために用いることができる。すなわち、エア入口弁３２が開状態から閉状態となるとき、あるいはエア入口弁３２が開状態としてエア出口弁３４が開状態から閉状態となるとき、圧力計６０は、圧力上昇を示す。また、エア出口弁が開状態として、エア入口弁３２が閉状態から開状態となるとき、あるいはエア入口弁３２が開状態として、エア出口弁３４が閉状態から開状態となるとき、圧力計６０は圧力低下を示す。このように、エア入口弁３２とエア出口弁３４の開閉操作と圧力計６０の検出値とを対応することで、例えば、エア入口弁３２とエア出口弁３４の開状態が正常であるか否かを判定するための開弁判定手段として、圧力計６０を用いることができる。

また、上記のように、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ので、圧力計６０が検出するＡＣＰ側圧力と、回転数検出器６４が検出するＡＣＰ４２のモータの回転数とに基づいて、ＡＣＰ４２の損失電力を求めることができる。すなわち、圧力計６０は、ＡＣＰ４２の損失電力算出のためにも用いられる。

圧力計６０に接続される故障検出部６１は、圧力計６０が正常であるか否かを判断し、圧力計６０の故障を検出する機能を有する故障検出手段である。図１では、ＦａｉｌｕｒｅＤｅｔｅｃｔｏｒの意味を示すＦＤの記号が付されている。故障検出部６１は、電気計測器である圧力計６０の電気的導通を検査することで、圧力計６０が正常状態か故障状態かを判断し、故障を検出する。

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り、出口エア圧力をＦＣ出口圧と呼ぶことにすると、ＦＣ出口圧センサでもある。以下では、圧力計６０をＩ／Ｃ出口圧センサと呼ぶときはこれに対応して圧力計６２をＦＣ出口圧センサと呼ぶものとし、必要に応じ、出口エア圧力検出手段と呼ぶことにする。

出口エア圧力を検出する圧力計６２は、ＡＣＰ４２から見てかなり下流側に設けられているので、圧力計６０によって検出されるエアコンプレッサ側圧力に比べると、ＡＣＰ４２の損失電力を算出するための圧力としては間接的である。しかし、燃料電池スタック２２の通常の運転状態においては、圧力計６０も圧力計６２も、ＡＣＰ２４によって加圧された酸化ガスの圧力を検出しているので、それらの検出値の間には一定の対応関係がある。したがって、エアコンプレッサ側圧力と、出口エア圧力との間の対応関係を用いることで、一方の圧力を他方の圧力に換算することができる。特に、ＡＣＰ２４の損失電力の算出には、エアコンプレッサ側圧力に基く算出方法とともに、出口エア圧力に基く算出方法を用いることが可能である。

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。

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。

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。

なお、燃料電池スタック２２には、冷却用の冷媒を流すための冷却用流路５４が設けられる。冷却用流路５４において、燃料電池スタック２２の出口側に設けられる温度計５６は、冷媒温度を検出する機能を有する温度検出手段である。

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、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。

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、始動時に再び開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。

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、始動時に再び開状態とされる開閉弁である。このように、エア入口弁３２とエア出口弁３４とは、一対として作動することが多いので、これをまとめて、出入口弁部と呼ぶことができる。したがって、出入口弁部の開閉というときには、エア入口弁３２の開閉とこれに従って行われるエア出口弁３４の開閉とを含むものである。

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。

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。

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。
エア調圧弁４５は、上記のように、バタフライ弁のように電磁弁を用いることができる。

なお、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の４つは、気体制御弁が用いられる。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。

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（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇｖａｌｖｅ）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。

図１において、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における圧力計６０の故障のときに、適切に対応する機能を有する。そのために、制御部７０は、圧力計６０であるＩ／Ｃ出口圧センサが正常か否かを判断するＩ／Ｃ出口圧センサ状態判断モジュール７２と、圧力計６０が正常でないときに、燃料電池スタック２２の始動時におけるエア入口弁３２とエア出口弁３４を含む出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理モジュール７４と、ＡＣＰ４２の損失電力の算出手順を変更するＡＣＰ処理モジュール７６と、加湿モジュールバイパス弁３６の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理モジュール７８とを含む。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故障時処理プログラムの実行によって実現できる。

上記構成の作用、特に制御部７０の機能について、図２、図３、図４を用いて以下に詳細に説明する。これらは、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常でないときの対応処理手順を示すフローチャートで、図２は、燃料電池スタック２２の始動時における出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理の手順を示すフローチャート、図３はＡＣＰ４２の損失電力の算出手順を変更するＡＣＰ処理の手順を示すフローチャート、図４は加湿モジュールバイパス弁３６の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理の手順を示すフローチャートである。これらの各手順は、燃料電池運転プログラムの中の故障時処理プログラムの各処理手順に対応する。

上記のように、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０は、出入口弁部の開閉動作が正常か否かを判定するために用いることができ、特に、燃料電池スタック２２の始動時における出入口弁部の開弁判定手段として用いることができる。そこで、圧力計６０が正常に作動していないときは、出入口弁部の開弁判定ができなくなるので、その処理を変更して適切に対応することが必要となる。図２はその手順を示すフローチャートである。

最初に、Ｉ／Ｃ出口圧センサについて正常か否かが判断される（Ｓ１０）。この工程は、制御部７０のＩ／Ｃ出口圧センサ状態判断モジュール７２の機能によって実行される。具体的には、故障検出部６１によって圧力計６０の電気導通が検査され、正常であればＩ／Ｃ出口センサである圧力計６０は正常状態であると判断され、異常な導通状態のときは圧力計６０が故障と判断される。

Ｓ１０において圧力計６０が正常と判断されると、通常の出入口弁部の開弁判定が行われる。その手順はＳ１６，Ｓ１８，Ｓ２４によって示されている。すなわち、出入口弁部の開処理が行われる（Ｓ１６）と、そのときに圧力計６０の指示するＩ／Ｃ出口圧Ｐが低下するか否かが判断される。具体的には、Ｉ／Ｃ出口圧Ｐが予め定めた所定の低下閾値圧力Ｐ₂以下となるか否かが判断される（Ｓ１８）。ＰがＰ₂以下であれば、出入口弁部が開放されたと判定される（Ｓ２４）。このようにして、Ｉ／Ｃ出口圧センサが正常の場合は、出入口弁部の開弁判定が行われる。

Ｓ１０において、Ｉ／Ｃ出口圧センサが正常でないと判断されるときは、出入口弁部を開く処理が行われ（Ｓ２０）、そのときからの経過時間が、予め定めた所定の待機時間ｔ_dを経過したか否かが判断され（Ｓ２２）、経過時間がｔ_d以上となったときに、出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断する（Ｓ２４）。所定の待機時間ｔ_dとしては、出
入口弁部が開弁指令を受けてから実際に所定の開度になるまでの遅れ時間に基づいて設定することができる。すなわち、エア入口弁３２とエア出口弁３４の開指令が行われると、エア入口弁３２とエア出口弁３４の実際の開度の変化は、指令時刻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。このときのエア入口弁３２とエア出口弁３４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高圧、すなわちＡＣＰ４２から供給される圧力であるＩ／Ｃ出口圧と、エア入口弁３２とエア出口弁３４の仕様等に基づいて予め取得することができる。これらによって、待機時間ｔ_dを予め設定することができる。

このように、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常でないときには、開弁処理の手順がＳ２０，Ｓ２２，Ｓ２４となるように変更され、次工程の処理（Ｓ２６）へ進むことができ、適切な対応が図られる。これらの処理は、制御部７０の出入口弁処理モジュール７４の機能によって実行される。

次に図３について説明する。上記のように、圧力計６０は、Ｉ／Ｃ出口圧を検出するものであるので、このＩ／Ｃ出口圧と、回転数検出器６４によって検出されるＡＣＰ４２の回転数とを用いて、ＡＣＰ４２の損失電力の算出が行われる。算出されたＡＣＰ損失電力は、燃料電池システム１０を含めたハイブリッド車両の電力分配処理に用いられる。そこで、圧力計６０が正常に作動していないときは、ＡＣＰ損失電力の算出ができなくなるので、その処理を変更して適切に対応することが必要となる。図３はその手順を示すフローチャートである。

最初に、Ｉ／Ｃ出口圧センサについて正常か否かが判断される（Ｓ３０）。この工程の内容は、図２で説明したＳ１０の内容と同じものであるので、詳細な説明を省略する。Ｓ３０において圧力計６０が正常と判断されると、通常のＡＣＰ損失電力算出の手順が行われる。すなわち、算出に用いられるものとしてＩ／Ｃ出口圧マップが選択される（Ｓ３４）。Ｉ／Ｃ出口圧マップとは、ＡＣＰ４２の圧力として圧力計６０によって検出されるＩ／Ｃ出口圧が用いられ、このＩ／Ｃ出口圧とＡＣＰ４２の回転数とに基いてＡＣＰ損失電力を算出するためのマップである。

Ｓ３６に、選択されたＩ／Ｃ出口圧マップの概略が示される。ここでは、横軸に回転数検出器６４によって検出されたＡＣＰ４２の回転数Ｎがとられ、縦軸にＩ／Ｃ出口圧が取られ、この２次元空間に、ＡＣＰ損失電力（Ｗ）が等電力線で示されている。かかるＩ／Ｃ出口圧マップは、制御部７０に接続されあるいは内蔵される記憶装置に記憶され、回転数ＮとＩ／Ｃ出口圧とを検索キーとしてＡＣＰ損失電力が読み出される。ここではマップが２次元マップ形式で示されているが、これ以外の形式であっても、回転数ＮとＩ／Ｃ出口圧とを検索キーあるいは入力値として、ＡＣＰ損失電力が読み出されあるいは出力される形式であるものを用いることができる。例えば、ルックアップテーブル形式、換算式、計算式の形式であってもよい。

こうして、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常の場合には、Ｉ／Ｃ出口圧マップを用い、Ｉ／Ｃ出口圧に基いて、ＡＣＰ損失電力値が算出される（Ｓ４６）。この処理を、後述する他の処理と区別して、第１損失電力算出処理、Ｉ／Ｃ出口圧マップを第１損失電力算出手段と呼ぶことができる。

Ｓ３０において、Ｉ／Ｃ出口圧センサが正常でないと判断されると、次にＦＣ出口圧センサである圧力計６２が正常であるか否かが判断される（Ｓ３２）。ＦＣ出口圧センサの異常の１つの原因は、低温時における水分の凍結による作動不良である。凍結しているか否かの判断には、冷媒の温度を検出する温度計５６、あるいは図１には図示されていない外気温度を検出する手段等を用いることができる。

Ｓ３２で圧力計６２が正常と判断されると、Ｉ／Ｃ出口圧に基くＩ／Ｃ出口マップに代えて、ＦＣ出口圧に基くＦＣ出口圧マップが選択される（Ｓ３８）。ＦＣ出口圧マップとは、圧力計６２によって検出されるＦＣ出口圧が用いられ、このＦＣ出口圧とＡＣＰ４２の回転数とに基いてＡＣＰ損失電力を算出するためのマップである。上記のように、Ｉ／Ｃ出口圧とＦＣ出口圧とは予め対応付けが可能であるので、この対応付けを用い、Ｉ／Ｃ出口圧マップを作り直したものがＦＣ出口圧マップに相当する。

Ｓ４０に、選択されたＦＣ出口圧マップの概略が示される。ここでは、横軸にＡＣＰ４２の回転数Ｎがとられ、縦軸にＦＣ出口圧が取られ、この２次元空間に、ＡＣＰ損失電力（Ｗ）が等電力線で示されている。かかるＦＣ出口圧マップも、Ｉ／Ｃ出口圧マップと同様に、記憶装置に記憶され、回転数ＮとＦＣ出口圧とを検索キーとしてＡＣＰ損失電力が読み出される。マップ形式以外のルックアップテーブル形式、換算式、計算式の形式であってもよいことも同じである。

こうして、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常でないが、ＦＣ出口圧センサが正常の場合には、Ｉ／Ｃ出口圧マップに代えてＦＣ出口圧マップを用い、ＦＣ出口圧に基いて、ＡＣＰ損失電力値が算出される（Ｓ４６）。この処理を、上記の第１損失電力算出処理と区別して、第２損失電力算出処理、ＦＣ出口圧マップを第２損失電力算出手段と呼ぶことができる。

Ｓ３２において、圧力計６２が正常でないと判断されると、ＦＣ出口圧マップにおいて、電力分配が破綻しない範囲で予め定めた所定固定値Ｐ₀をＦＣ出口圧、すなわち出口エア圧力とする（Ｓ４２）。その様子がＳ４４において示される。すなわち、ＦＣ出口圧マップにおいてＦＣ出口圧＝Ｐ₀とし、回転数Ｎの変化に対応する電力がＡＣＰ損失電力とされる。

こうして、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常でなく、ＦＣ出口圧センサも正常でない場合には、ＦＣ出口圧マップにおいて、ＦＣ出口圧を所定固定値Ｐ₀として、ＡＣＰ損失電力値が算出される（Ｓ４６）。この処理を、上記の第１損失電力算出処理等と区別して、第３損失電力算出処理、ＦＣ出口圧マップにおいてＦＣ出口圧を所定固定値Ｐ₀としたものを第３損失電力算出手段と呼ぶことができる。

このように、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常でないときには、ＦＣ出口圧センサである圧力計６２の状態に応じ、ＡＣＰ損失電力算出に関する処理の手順がＳ３２，Ｓ３８，Ｓ４０，Ｓ４２，Ｓ４４となるように変更され、適切な対応が図られる。これらの処理は、制御部７０のＡＣＰ処理モジュール７６の機能によって実行される。

次に図４について説明する。上記のように、圧力計６０は、ＡＣＰ４２から供給されるＤＲＹな酸化ガスの圧力を検出するものであるので、仮にこの圧力計６０が故障すると、加湿モジュールバイパス流路を用いて行われる掃気等の管理が不十分となる恐れがある。そこで、圧力計６０が正常の場合と、正常でない場合とで、加湿モジュールバイパス弁３６に関する処理を変更して適切に対応することが必要となる。図４はその手順を示すフローチャートである。

最初に、Ｉ／Ｃ出口圧センサについて正常か否かが判断される（Ｓ５０）。この工程の内容は、図２のＳ１０、図３のＳ３０の内容と同じものであるので、詳細な説明を省略する。Ｓ５０においてＩ／Ｃ出口圧センサが正常と判断されると、加湿モジュールバイパス弁３６について通常の制御手順が行われる（Ｓ５２）。すなわち、掃気等で必要な場合のみに開弁処理が実行され、それ以外のときには閉止状態とされる。

Ｓ５０において、Ｉ／Ｃ出口圧センサが正常でないと判断されると、そのときの加湿モジュールバイパス弁３６の状態が判断される。上記のように、通常は閉止状態であるので、ここでは閉状態にあるか否かが判断される（Ｓ５４）。そして、閉状態にあるときは、その状態を維持して開弁処理を原則として禁止する。もっとも、圧力計６０が正常でなくても、予め限定された時間の範囲であれば掃気を行ってもよいので、閉のまま、開処理を制限することになる（Ｓ５６）。Ｓ５４において、開状態にあると判断されたときは、閉弁処理を行う。この場合も、予め限定された時間の範囲であれば掃気を行ってもよいので、開処理制限をして閉処理を行うことになる（Ｓ５８）。

このように、Ｉ／Ｃ出口圧センサである圧力計６０が正常でないときには、加湿モジュールバイパス弁３６の状態に応じて、低温時の掃気処理等の手順がＳ５４，Ｓ５６，Ｓ５８となるように変更され、適切な対応が図られる。これらの処理は、制御部７０の加湿モジュールバイパス弁処理モジュール７８の機能によって実行される。

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。本発明に係る実施の形態において、燃料電池スタックの始動時における出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理の手順を示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、ＡＣＰの損失電力の算出手順を変更するＡＣＰ処理の手順を示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、加湿モジュールバイパス弁の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

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、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、５０ＰＳＶボックス、５２電磁弁、５４冷却用流路、５６温度計、６０，６２圧力計、６１故障検出部、６４回転数検出器、７０制御部、７２Ｉ／Ｃ出口圧センサ状態判断モジュール、７４出入口弁処理モジュール、７６ＡＣＰ処理モジュール、７８加湿モジュールバイパス弁処理モジュール。

Claims

燃料電池スタックのカソード側に設けられるエア入口弁とエア出口弁とを含む出入口弁部と、
出入口弁部の開弁判定を行う開弁判定手段と、
開弁判定手段によって開弁判定ができない場合に、予め定めた所定の待機時間を経過したときに出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断する出入口弁処理手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックに酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサと、
開弁判定手段としてエアコンプレッサと出入口弁部との間に設けられ、エアコンプレッサ側圧力を検出するエアコンプレッサ側圧力検出手段と、
エア出口弁のところにおける圧力である出口エア圧力を検出する出口エア圧力検出手段と、
開弁判定手段によって開弁判定ができない場合に、エアコンプレッサ側圧力に基く損失電力算出手段に代えて、出口エア圧力に基く損失電力算出手段を用いて、エアコンプレッサの損失電力を求めるエアコンプレッサ処理手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池スタックに酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサと、
燃料電池スタックに並列に配置され、エアコンプレッサから供給される酸化ガスを加湿して燃料電池スタックに供給する加湿モジュールと、
エアコンプレッサと加湿モジュールとの間に設けられ、加湿モジュールに供給される酸化ガスの圧力を検出するエアコンプレッサ側圧力検出手段と、
加湿モジュールを経由せずにエアコンプレッサから燃料電池スタックに直接酸化ガスを供給するために設けられる加湿モジュールバイパス流路に設けられる加湿モジュールバイパス弁と、
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、燃料電池スタック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、
エアコンプレッサ側圧力検出手段の故障を検出する故障検出手段と、
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、
故障検出手段がエアコンプレッサ側圧力検出手段の故障を検出したときに、
燃料電池スタックの始動時におけるエア入口弁とエア出口弁を含む出入口弁部の作動処理手順を変更する出入口弁処理手段と、
エアコンプレッサの損失電力の算出手順を変更するエアコンプレッサ処理手段と、
加湿モジュールバイパス弁の開閉処理手順を変更する加湿モジュールバイパス弁処理手段と、
の中の少なくとも１つを含むことを特徴とする燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
出入口弁処理手段は、
出入口弁部の開弁処理が行われてから、予め定めた所定の待機時間を経過したときに、エアコンプレッサ側圧力検出手段の検出値にかかわらず、出入口弁部が開弁処理を完了したものと判断することを特徴とする燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
エア出口弁のところにおける圧力である出口エア圧力を検出する出口エア圧力検出手段を備え、
エアコンプレッサ処理手段は、
出口エア圧力検出手段が正常か否かの判断を行う判断手段と、
判断手段によって正常であると判断される場合に、エアコンプレッサ側圧力検出手段が故障でないときに用いられる損出算出手段であるエアコンプレッサ側圧力に基く第１損失電力算出手段に代えて、出口エア圧力に基く第２損失電力算出手段を用い、判断手段によって正常でないと判断される場合には、電力分配が破綻しない範囲で予め定めた所定固定値を出口エア圧力として、所定固定圧力値に基く第３損失電力算出手段を用いて、エアコンプレッサの損失電力を求める手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
加湿モジュールバイパス処理手段は、
加湿モジュールバイパス弁が閉状態の場合は、閉状態のまま開弁処理を制限し、加湿モジュールバイパス弁が開状態の場合は、開弁処理を制限して閉弁処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。