JP2021131964A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池スタックの排ガス中における燃料ガス濃度の増大を解消できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、酸化剤ガス給排系と燃料ガス給排系の動作を制御し、燃料電池スタックの発電を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電中に、排ガス中の燃料ガス濃度が許容値を超える燃料ガス濃度異常を検出した場合には、エアコンプレッサが送り出す空気の流量を増大させるとともに、前記バイパス弁の開度を制御して、前記燃料電池スタックに供給される前記空気の流量に対する前記バイパス配管から前記排ガス配管に流出する前記空気の流量の比を増大させる排ガス希釈制御を実行する。【選択図】図７

Description

本開示は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
燃料電池スタックでは、カソードで酸化剤ガスが不足している場合などに、カソードにおいて燃料ガスが発生する場合がある。燃料ガスとして水素が用いられている場合、そのようにカソードで発生する燃料ガスは、「ポンピング水素」とも呼ばれる。カソードで燃料ガスが大量に発生する場合には、大気中に放出される燃料電池スタックの排ガス中の燃料ガス濃度が増大する原因となる。例えば、下記の特許文献１の燃料電池システムでは、暖機運転の実行中にポンピング水素の発生を検出した場合に、燃料電池スタックのカソードに対する空気の供給量を増大させて、ポンピング水素を低減させることにより、排ガス中の水素濃度の増大を解消している。
特開２０１０−６１９６０号公報
しかしながら、排ガス中の燃料ガス濃度の増大を解消するために、燃料電池スタックに対する要求電力にかかわらず、燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を増大させると、燃料電池スタックの発電状態が望ましくない程度に大きく変動してしまう可能性がある。このように、燃料電池スタックにおける排ガス中の燃料ガス濃度の増大を解消するための対策については、依然として改良の余地がある。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、酸化剤ガスが供給されるカソードと、燃料ガスが供給されるアノードとを有する燃料電池スタックと、前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給制御を実行する酸化剤ガス給排系であって、前記カソードの入口に接続されているカソード供給配管と、前記カソードの出口に接続され、前記カソードから排出されるカソードオフガスを含む排ガスを大気中に排出する排ガス配管と、前記カソード供給配管と前記排ガス配管とを接続するバイパス配管と、前記カソード供給配管に前記酸化剤ガスを含む空気を圧縮して送り出すエアコンプレッサと、前記バイパス配管に流入する前記空気の流量を調整するバイパス弁と、を備える酸化剤ガス給排系と、前記アノードへの前記燃料ガスの供給制御を実行する燃料ガス給排系と、前記排ガス配管に設けられ、前記排ガス中の燃料ガス濃度を検出する燃料ガスセンサと、前記酸化剤ガス給排系と前記燃料ガス給排系の動作を制御し、前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電中に、前記燃料ガス濃度が予め定められた許容値を超える燃料ガス濃度異常を検出した場合には、前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量を増大させるとともに、前記バイパス弁の開度を制御して、前記燃料電池スタックに供給される前記空気の流量に対する前記バイパス配管から前記排ガス配管に流出する前記空気の流量の比を増大させる排ガス希釈制御を実行する。
この形態の燃料電池システムによれば、排ガス中の燃料ガス濃度が許容値を超えたときに、排ガス希釈制御によって、燃料電池スタックへの空気の供給流量の増大を抑制しながら、バイパス配管を通じて排ガス配管へと流出する空気の流量を増大させることができる。よって、燃料電池スタックの発電状態の変化を抑制しながら、排ガス中の燃料ガス濃度を低減させることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池スタックの起動時に前記燃料電池スタックを昇温させる暖機運転を実行し、前記暖機運転の実行中に前記燃料ガス濃度異常を検出したときに、前記排ガス希釈制御を実行してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、暖機運転の実行中に、排ガス中の燃料ガス濃度が増大した場合に、排ガス希釈制御によって、排ガス中の燃料ガス濃度を低減させることができる。また、排気ガス希釈制御によれば、上記のように、燃料電池スタックの発電状態の変化を抑制しながら、排ガス中の燃料ガス濃度を抑制できる。そのため、排ガス希釈制御によって燃料電池スタックの発電状態が変動して、暖機運転での燃料電池スタックの昇温速度が低下してしまうことを抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムの前記制御部は、前記制御部は、前記排ガス希釈制御において、前記排ガス希釈制御において、前記バイパス配管から流出する前記空気の流量の増加量と前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量の増加量とが等しくなるように制御してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、排ガス希釈制御において、燃料電池スタックのカソードに対する空気の供給流量の変動が、より一層、抑制される。そのため、排ガス希釈制御の実行によって、燃料電池スタックの発電状態が変化することを、より一層、抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記エアコンプレッサは、消費電力を維持したまま送り出す前記空気の流量を変更可能な動作特性を有しており、前記エアコンプレッサは、前記燃料電池スタックの電力によって駆動し、前記制御部は、前記排ガス希釈制御において、前記燃料電池スタックから前記エアコンプレッサに供給される電力を一定に維持したまま前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量を増大させてよい。
この形態の燃料電池システムによれば、排ガス希釈制御によってエアコンプレッサでの消費電力が増大し、燃料電池スタックの発電量を増大させる必要性が生じることを抑制できる。よって、排ガス希釈制御の実行によって、燃料電池スタックの発電状態が変動することをより一層、抑制することができる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記動作特性は、同一の消費電力で駆動しているときの圧力比と流量とが一対一で対応する関係であって、前記流量が比較的小さい低流量領域では前記流量の増加に対する前記圧力比の低下幅が比較的小さく、前記流量が比較的大きい高流量領域では、前記流量の増加に対する前記圧力比の低下幅が前記低流量領域よりも大きくなる関係によって表され、前記制御部は、前記排ガス希釈制御の実行前には、前記低流量領域に含まれる目標流量で前記エアコンプレッサを駆動し、前記排ガス希釈制御では、前記高流量領域に含まれる目標流量で前記エアコンプレッサを駆動してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、排ガス希釈制御において、エアコンプレッサが送り出す空気の流量を、消費電力を維持したまま大きく増加させることができる。よって、排ガス中の燃料ガス濃度を効果的に増大させることができる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムの制御方法、その制御方法をコンピューターに実行させるためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した非一過性の記録媒体などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池システムのより詳細な構成を示す概略図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 制御装置の概略内部ブロック図。 二次電池の温度特性を示す説明図。 燃料電池システムにおける始動処理のフローを示す説明図。 排ガス希釈制御のフローを示す説明図。 エアコンプレッサの制御マップの一例を示す説明図。
１．実施形態：
図１は、本実施形態における燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載され、後述する負荷からの要求電力や、外部給電のための要求電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、酸化剤ガス給排系３０と、燃料ガス給排系５０と、冷媒循環系７０とを備える。
燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セル２１と、一対のエンドターミナル２２，２３とを備える。複数の燃料電池セル２１はそれぞれ、板状であり、厚み方向である積層方向ＳＤに積層されている。燃料電池セル２１は、単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池セル２１は、反応ガスとしての酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給を受け、それらの電気化学反応によって発電する。本実施形態では、燃料電池セル２１は、固体高分子形燃料電池として構成されている。また、本実施形態では、酸化剤ガスとして酸素が用いられ、燃料ガスとして水素が用いられる。
燃料電池セル２１は、イオン伝導性を有する高分子樹脂膜によって構成された電解質膜の両面に触媒が担持された電極であるアノードおよびカソードが配置された膜電極接合体を備える。燃料電池セル２１は、さらに、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータを備える。膜電極接合体およびセパレータの図示は省略する。各燃料電池セル２１の外周端部には、反応ガスや、膜電極接合体の発電部を通過した反応オフガスを流通させるためのマニホールドＭｆａ，Ｍｆｂを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。マニホールドＭｆａ，Ｍｆｂは、膜電極接合体の発電部に分岐接続されている。マニホールドＭｆａは、カソードに接続され、マニホールドＭｆｂはアノードに接続されている。また、各燃料電池セル２１の外周端部には、冷媒を流通させるためのマニホールドＭｆｃを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。マニホールドＭｆｃは、隣接しているセパレータ同士の間に形成されている冷媒流路に接続されている。
一対のエンドターミナル２２，２３は、複数の燃料電池セル２１の積層方向ＳＤにおける両端部に配置されている。具体的には、第１エンドターミナル２２は燃料電池スタック２０の一方の端部に配置され、第２エンドターミナル２３は他方の端部に配置されている。第１エンドターミナル２２には、マニホールドＭｆａ，Ｍｆｂ，Ｍｆｃを形成するための貫通孔である開口部２５が形成されている。一方、第２エンドターミナル２３には、そうした開口部２５は形成されていない。燃料電池スタック２０では、燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒とは、燃料電池スタック２０に対して、第１エンドターミナル２２側から供給されるとともに排出される。
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給機能と、酸化剤ガス排出機能と、酸化剤ガスバイパス機能と、を有する。酸化剤ガス供給機能は、燃料電池セル２１のカソードに酸化剤ガスを含む空気を供給する機能である。酸化剤ガス排出機能は、燃料電池セル２１のカソードから排出される酸化剤ガス、不活性ガス、および、排水を含む排ガス（「カソードオフガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。なお、カソードオフガスには、さらに、後述するカソードで発生した燃料ガスが含まれる場合がある。酸化剤ガスバイパス機能は、供給される酸化剤ガスを含む空気の一部を、燃料電池セル２１を介することなく外部に排出する機能である。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給機能と、燃料ガス排出機能と、燃料ガス循環機能とを有する。燃料ガス供給機能は、燃料電池セル２１のアノードに燃料ガスを供給する機能である。燃料ガス排出機能は、燃料電池セル２１のアノードから排出される燃料ガス、不活性ガス、排水を含む排ガス（「アノードオフガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。燃料ガス循環機能は、アノードオフガスを燃料電池システム１０内において循環させる機能である。
冷媒循環系７０は、燃料電池スタック２０に冷媒を循環させて、燃料電池スタック２０の温度を調節する機能を有する。冷媒としては、例えば、エチレングリコールなどの不凍液や、水などの液体が用いられる。
図２は、燃料電池システム１０の詳細構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、上述の燃料電池スタック２０、酸化剤ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、冷媒循環系７０に加え、制御装置６０を有する。制御装置６０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。制御装置６０の詳細は後述する。
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給系３０Ａと、酸化剤ガス排出系３０Ｂとを備える。酸化剤ガス供給系３０Ａは、燃料電池スタック２０のカソードに酸化剤ガスを含む空気を供給する。酸化剤ガス供給系３０Ａは、カソード供給配管３０２と、外気温センサ３８と、エアクリーナ３１と、エアコンプレッサ３３と、インタークーラ３５と、入口弁３６と、を有する。
カソード供給配管３０２は、燃料電池スタック２０のカソードの入口に接続され、燃料電池スタック２０のカソードに対する空気の供給流路を構成する。外気温センサ３８は、エアクリーナ３１に取り込まれる空気の温度を、外気温として計測する。外気温センサ３８の計測結果は制御装置６０に送信される。エアクリーナ３１は、カソード供給配管３０２のうちでエアコンプレッサ３３よりも上流側に設けられ、燃料電池スタック２０に供給される空気中の異物を除去する。
エアコンプレッサ３３は、燃料電池スタック２０よりも上流側のカソード供給配管３０２に設けられ、制御装置６０からの指令に応じた圧力に圧縮した空気をカソードに向けて送り出す。本実施形態では、エアコンプレッサ３３は、消費電力を一定に維持したまま送り出す空気の流量を変更可能な動作特性を有する。そうした動作特性は、エアコンプレッサ３３を、例えばターボコンプレッサによって構成することにより実現できる。また、その動作特性は、エアコンプレッサ３３が有するインペラの構成によって決まってくる。制御装置６０は、その動作特性を利用して、エアコンプレッサ３３の圧力比と消費電力とを指令して、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量を制御する。「圧力比」とは、エアコンプレッサ３３から送り出される空気の圧力に対するエアコンプレッサ３３に流入する空気の圧力を意味する。エアコンプレッサ３３の動作特性およびその動作特性を利用した制御の詳細については後述する。
インタークーラ３５は、カソード供給配管３０２のうちでエアコンプレッサ３３よりも下流側に設けられている。インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３３によって圧縮されて高温となった空気を冷却する。入口弁３６は、燃料電池スタック２０のカソード入口側での空気の圧力を調整する。入口弁３６は、制御装置６０によって開度が制御される電磁弁や電動弁によって構成される。入口弁３６は、予め定められた圧力の空気が流入したときに機械的に開く開閉弁によって構成されてもよい。
酸化剤ガス排出系３０Ｂは、カソードオフガスを、燃料電池車両の外部に排出する。酸化剤ガス排出系３０Ｂは、排ガス配管３０６と、バイパス配管３０８と、を有する。
排ガス配管３０６は、燃料電池スタック２０のカソードの出口に接続されており、カソードオフガスの排出流路を構成する。排ガス配管３０６は、カソードオフガスを含む燃料電池スタック２０の排ガスを大気中に排出する機能を有する。排ガス配管３０６から大気中に排出される排ガスには、カソードオフガスの他に、アノードオフガスや、バイパス配管３０８から流出した空気が含まれる。排ガス配管３０６の下流側端部には排ガスの排気音を低減するためのマフラー３１０が設けられている。
排ガス配管３０６には、出口弁３７が設けられている。出口弁３７は、排ガス配管３０６のうちでバイパス配管３０８が接続された地点よりも上流側に配置されている。出口弁３７は、電磁弁や電動弁によって構成される。出口弁３７は、制御装置６０によって開度が調整されることで燃料電池スタック２０のカソードの背圧を調整する。
バイパス配管３０８は、燃料電池スタック２０を経由することなく、カソード供給配管３０２と排ガス配管３０６とを接続する。バイパス配管３０８には、バイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９は、電磁弁や電動弁によって構成される。バイパス弁３９が開かれている場合には、カソード供給配管３０２を流れる空気の一部は、バイパス配管３０８を通じて、排ガス配管３０６へと流入する。制御装置６０は、バイパス弁３９の開度を調整することによって、バイパス配管３０８に流入する空気の流量を調整する。
排ガス配管３０６には、燃料ガスセンサ３１１が設けられている。燃料ガスセンサ３１１は、排ガス配管３０６を流れる排ガス中の燃料ガス濃度を検出し、その検出結果を制御装置６０に送信する。本実施形態では、燃料ガスセンサ３１１は、水素濃度センサによって構成される。また、本実施形態では、燃料ガスセンサ３１１は、排ガス配管３０６とアノード排出配管５０４との合流点より上流側に設けられている。これにより、燃料ガスセンサ３１１は、排ガス中の燃料ガス濃度として、カソードオフガス中の燃料ガス濃度を検出することが可能である。カソードオフガス中の燃料ガス濃度は、カソードで発生し、カソードから排出された燃料ガスの量を表す。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給系５０Ａと、燃料ガス循環系５０Ｂと、燃料ガス排出系５０Ｃとを備える。
燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池スタック２０のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、アノード供給配管５０１と、燃料ガスタンク５１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクタ５４と、圧力センサ５９と、を備える。
アノード供給配管５０１は、燃料ガスの供給源である燃料ガスタンク５１と燃料電池スタック２０のアノードの入口とに接続され、燃料電池スタック２０のアノードに対する燃料ガスの供給流路を構成する。燃料ガスタンク５１は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。開閉弁５２は、アノード供給配管５０１において燃料ガスタンク５１の手前に設けられている。開閉弁５２は、開弁状態において燃料ガスタンク５１の燃料ガスを下流側へと流通させる。レギュレータ５３は、アノード供給配管５０１において開閉弁５２の下流側に設けられている。レギュレータ５３は、制御装置６０の制御によって、インジェクタ５４よりも上流側における燃料ガスの圧力を調整する。
インジェクタ５４は、アノード供給配管５０１においてレギュレータ５３の下流側に設けられている。インジェクタ５４は、アノード供給配管５０１のうち、後述するアノード循環配管５０２の合流地点よりも上流側に配置されている。インジェクタ５４は、制御装置６０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁である。制御装置６０は、インジェクタ５４を制御することにより、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスの供給量を調整する。圧力センサ５９は、アノード供給配管５０１のうちでインジェクタ５４よりも下流側の内部圧力、つまり、燃料ガスの供給圧力を計測する。計測結果は制御装置６０に送信される。
燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池スタック２０のアノードから排出されるアノードオフガスを、液体成分を分離させた上で、アノード供給配管５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、アノード循環配管５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、モータ５６とを有する。
アノード循環配管５０２は、燃料電池スタック２０のアノード出口とアノード供給配管５０１とに接続され、アノードから排出されるアノードオフガスをアノード供給配管５０１へと導く燃料ガスの循環路を構成する。気液分離器５７は、アノード循環配管５０２に設けられ、アノードオフガスから水蒸気を含む液体成分を分離し、液水の状態で貯留する。循環ポンプ５５は、アノード循環配管５０２において気液分離器５７の下流側に設けられている。循環ポンプ５５は、モータ５６を駆動させることで気液分離器５７に流入した燃料オフガスをアノード供給配管５０１へと送り出す。
燃料ガス排出系５０Ｃは、アノードオフガスや気液分離器５７に貯留された液水を排ガス配管３０６へと排出する。燃料ガス排出系５０Ｃは、アノード排出配管５０４と排気排水弁５８と、を有する。アノード排出配管５０４は、気液分離器５７の排出口と、排ガス配管３０６とに接続され、気液分離器５７の排出口から排出される排水と、気液分離器５７内を通過するアノードオフガスの一部とを燃料ガス給排系５０から排出する排気排水路を構成する。排気排水弁５８は、アノード排出配管５０４に設けられ、アノード排出配管５０４を開閉する。排気排水弁５８としては、例えば、ダイヤフラム弁が用いられる。燃料電池システム１０の発電時には、制御装置６０は、予め定めたタイミングで排気排水弁５８に対して開弁指示を行う。排気排水弁５８が開かれると、気液分離器５７に貯留された水分とアノードオフガスとが、排ガス配管３０６を通じて大気中へと排出される。
冷媒循環系７０は、冷媒循環路７９と、冷媒循環ポンプ７４と、モータ７５と、ラジエータ７１と、ラジエータファン７２と、スタック温度センサ７３とを備える。
冷媒循環路７９は、冷媒供給路７９Ａと、冷媒排出路７９Ｂとを有する。冷媒供給路７９Ａは、燃料電池スタック２０に冷媒を供給するための管である。冷媒排出路７９Ｂは、燃料電池スタック２０から冷媒を排出するための管である。冷媒循環ポンプ７４は、モータ７５の駆動によって冷媒供給路７９Ａの冷媒を燃料電池スタック２０へ送り出す。ラジエータ７１は、ラジエータファン７２によって風が送られて放熱することで、内部を流通する冷媒を冷却する。スタック温度センサ７３は、冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度を計測する。冷媒の温度の計測結果は、制御装置６０に送信される。制御装置６０は、スタック温度センサ７３の計測温度を、燃料電池スタック２０の温度として検出し、燃料電池システム１０の制御に用いる。
図３は、燃料電池システム１０の電気的構成を示す概念図である。燃料電池システム１０は、ＦＣコンバータ９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、電圧センサ９１と、電流センサ９２とを備える。
電圧センサ９１は、燃料電池スタック２０の電圧を計測するために用いられる。電圧センサ９１は、燃料電池スタック２０の全ての燃料電池セル２１それぞれと接続されており、全ての燃料電池セル２１それぞれを対象に電圧を計測する。電圧センサ９１は、その計測結果を制御装置６０に送信する。電圧センサ９１によって計測された全ての燃料電池セル２１の計測電圧を合計することで燃料電池スタック２０の総電圧が計測される。なお、燃料電池システム１０は、電圧センサ９１に代えて、燃料電池スタック２０の両端の電圧を計測する電圧センサを有していてもよい。この場合、計測された両端の電圧値が、燃料電池スタック２０の総電圧となる。電流センサ９２は、燃料電池スタック２０による出力電流値を計測し、制御装置６０に送信する。
ＦＣコンバータ９５は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成され、燃料電池スタック２０の電流を制御する回路として機能する。ＦＣコンバータ９５は、制御装置６０から送信される電流指令値に基づき、燃料電池スタック２０が出力する電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池スタック２０による出力電流の目標値を表す値であり、制御装置６０によって設定される。
ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック２０と負荷２００とに接続されている。負荷２００は、駆動力源である走行モータやその他の燃料電池車両内の補機類、電装品を含む。上述した酸化剤ガス給排系３０のエアコンプレッサ３３は、負荷２００に含まれる。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック２０や二次電池９６から出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２００に供給する。また、負荷２００に含まれる走行モータにおいて回生電力が発生した場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ９８はその回生電力を直流電力に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ９８によって直流電力に変換された回生電力は、バッテリコンバータ９７を介して二次電池９６に蓄電される。
燃料電池システム１０は、さらに、二次電池９６と、バッテリコンバータ９７とを備える。二次電池９６は、燃料電池スタック２０とともに、燃料電池システム１０の電力源として機能する。二次電池９６は、燃料電池スタック２０によって生じる電力や上述した回生電力によって充電される。なお、本実施形態では、二次電池９６は、リチウムイオン電池によって構成されており、氷点下では、充放電量の許容範囲が著しく狭くなる温度特性を有している。二次電池９６の温度特性については後述する。
バッテリコンバータ９７は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成され、制御装置６０の指示に応じて二次電池９６の充放電を制御する。また、バッテリコンバータ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、制御装置６０に送信する。
図４は、制御装置６０の内部ブロック図である。制御装置６０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）とも呼ばれ、制御部６２と、ＲＯＭやハードディスクなどの外部記憶装置によって構成された記憶部６８と、を備える。制御部６２は、少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備え、プロセッサが、記憶部６８から主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって燃料電池スタック２０の発電を制御するための種々の機能を発揮する。なお、制御部６２の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。
記憶部６８には、制御部６２が実行する各種プログラムや、燃料電池システム１０の制御に用いられるパラメータ、後述する制御マップＣＭを含む種々のマップ等が不揮発的に記憶されている。「不揮発的」とは、記憶装置に対する通電状態がオフされた場合でも情報が消失しないまま記憶装置に保持されることを意味する。制御部６２は、記憶部６８の各種プログラムを実行することで、動作制御部６４と、監視部６６として機能する。動作制御部６４は、燃料電池システム１０の動作を制御する。動作制御部６４は、燃料電池システム１０に対する負荷２００からの出力要求に応じて燃料電池スタック２０に発電させる通常運転を実行する。
また、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０を急速に昇温させるための暖機運転を実行する。暖機運転は、燃料電池システム１０の起動時に動作制御部６４が実行する後述する始動処理において、予め定められた暖機条件が満たされた場合に実行される。本実施形態では、暖機条件は、外気温センサ３８の計測値が予め定めた温度以下であるときに満たされる。他の実施形態では、暖機条件は、例えば、冬季に燃料電池システム１０が所定の時間以上、停止した状態で放置されていた場合に満たされるものとしてもよい。暖機運転では、通常運転とは異なり、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の目標発熱量を設定し、負荷２００からの出力要求にかかわらず、その目標発熱量で燃料電池スタック２０が発電するように制御する。
本実施形態の暖機運転では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０に供給される酸化剤ガスのストイキ比を、通常運転でのストイキ比よりも小さくなるように酸化剤ガス給排系３０と燃料ガス給排系５０とを制御する。「酸化剤ガスのストイキ比」とは、要求発電電力を発電するために理論的に必要な酸化剤ガスの量に対する、実際に供給される酸化剤ガスの量の比を意味する。この制御によって、カソードでの濃度過電圧が増大し、燃料電池スタック２０の発電効率が低下するため、燃料電池スタック２０の発熱量が通常運転時よりも増大し、燃料電池スタック２０の昇温速度を高めることができる。暖機運転における酸化剤ガスのストイキ比は例えば、１．０程度としてよい。なお、本実施形態の暖機運転では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量は、予め定められた供給量で維持される。
本実施形態では、動作制御部６４は、暖機運転が実行されている間には、後述する二次電池９６の特性を考慮して、燃料電池スタック２０が出力する電力が、予め定められた一定電力となるように制御する。この一定電力は、暖機運転の間に負荷２００で消費されることが見込まれる電力以上の値に設定されていることが望ましい。一定電力は、例えば、５〜１５ｋＷ程度としてもよい。
監視部６６は、燃料ガスセンサ３１１の計測結果に基づいて、燃料電池スタック２０の発電中に、排ガス配管３０６から排出される排ガス中の燃料ガス濃度が予め定められた許容値を超えている燃料ガス濃度異常の発生を監視する。燃料ガス濃度異常は、例えば、燃料電池スタック２０のカソードにおいて燃料ガスが大量に発生した場合などに検出される。燃料電池スタック２０では、アノードでイオン化した燃料ガスが、電解質膜を介してカソードへと移動して電子と再結合すると、カソードに燃料ガスが発生する。こうしたカソードでの燃料ガスの発生は、カソードに対する酸化剤ガスの供給量が不足する場合に生じやすい。本実施形態のように、燃料ガスが水素である場合、このカソードで発生する燃料ガスは、「ポンピング水素」とも呼ばれる。本実施形態中の説明における「カソードで発生する燃料ガス」は、「ポンピング水素」と言い換えることができる。
動作制御部６４は、暖機運転における燃料電池スタック２０の発電中に、監視部６６が燃料ガス濃度異常を検出した場合には、排ガス中の燃料ガス濃度を低減させるための排ガス希釈制御を実行する。排ガス希釈制御については後述する。
図５は、二次電池９６の温度特性を示す説明図である。リチウムイオン電池などの二次電池は、氷点下、特に−２０℃（摂氏）以下になると、急激に充放電可能な電力の幅が狭くなる。そのため、氷点下では、燃料電池スタック２０の発電電力が要求電力よりも超過したり、不足したりした場合に、二次電池９６に超過分の電力を蓄電したり、不足分の電力を二次電池９６から放電したりすることが困難となる場合が生じ得る。そこで、本実施形態では、暖機運転の際に、二次電池９６の充放電量が所定の範囲に収まるように、燃料電池スタック２０の発電電力が、上述した一定電力に制御される。これにより、暖機運転の実行中に燃料電池スタック２０の電力が変動することが抑制されるため、低温のために充放電量の許容範囲が狭まっている二次電池９６に負荷がかかることが抑制される。よって、例えば、過剰な負荷により二次電池９６のリチウムが溶出するなど、二次電池９６の劣化の発生が抑制される。
図６は、制御部６２の動作制御部６４が実行する始動処理のフローを示す説明図である。始動処理は、燃料電池車両に対する起動操作がされ、燃料電池システム１０の運転開始が指令されたときに、動作制御部６４が実行する。
ステップＳ１０では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の発電を開始させる。具体的には、動作制御部６４は、酸化剤ガス給排系３０および燃料ガス給排系５０によって、燃料電池スタック２０に対する反応ガスの供給制御を開始する。また、動作制御部６４は、上述の反応ガスの供給制御に加えて、冷媒循環系７０によって燃料電池スタック２０の温度を制御する温度制御を開始する。
ステップＳ２０では、動作制御部６４は、暖機運転の開始条件である暖機条件が満たされているか否かを判定する。上述したように、本実施形態では、外気温センサ３８の計測値が予め定めた温度以下である場合に、暖機条件が満たされていると判定する。本実施形態では、暖機条件の閾値温度は氷点である。他の実施形態では、暖機条件の閾値温度は、氷点よりも低い温度であってもよいし、氷点より高い氷点近傍の温度であってもよい。暖機条件が満たされていない場合には、動作制御部６４は、暖機運転を実行することなく、始動処理を終了し、通常運転を開始する。
暖機条件が満たされている場合には、動作制御部６４は、ステップＳ３０において、暖機運転を実行する。暖機運転が開始されたときには、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の発熱量の目標値である目標発熱量を設定する。動作制御部６４は、現在の外気温、または、燃料電池スタック２０の温度が低いほど、目標発熱量を大きい値に設定してもよい。この場合には、動作制御部６４は、目標発熱量を設定する際に、予め準備され、記憶部６８に格納されているマップを用いてもよい。
また、暖機運転では、動作制御部６４は、上述したように、燃料電池スタック２０に供給される酸化剤ガスのストイキ比が、通常運転でのストイキ比よりも小さい予め定められたストイキ比となるように酸化剤ガス給排系３０と燃料ガス給排系５０とを制御する。動作制御部６４は、そうした暖機運転用のストイキ比で反応ガスが供給されている状態において、燃料電池スタック２０が目標発熱量で発熱しながら発電するように、燃料電池スタック２０の電流をＦＣコンバータ９５によって制御する。
なお、動作制御部６４は、暖機運転において、上述したストイキ比で燃料電池スタック２０に酸化剤ガスが供給されるように、エアコンプレッサ３３を駆動する。このとき、動作制御部６４は、後述する図８に示す制御マップＣＭを用いるが、その詳細については、排ガス希釈制御の説明において併せて説明する。
暖機運転が実行されている間、動作制御部６４は、ステップＳ４０において、監視部６６によって燃料ガス濃度異常が検出されているか否かを判定する。上述したように、本実施形態では、監視部６６は、燃料ガスセンサ３１１によって計測される排ガス中の燃料ガス濃度が予め定められた許容値を超えたときに、燃料ガス濃度異常を検出する。燃料ガス濃度異常が検出された場合には、動作制御部６４は、ステップＳ５０において、排ガスにおける燃料ガス濃度を低減させるための排ガス希釈制御を実行する。排ガス希釈制御については後述する。
ステップＳ４０において燃料ガス濃度異常が検出されていない場合、または、ステップＳ５０の排ガス希釈制御が実行された後には、動作制御部６４は、ステップＳ６０において、暖機運転を完了するか否かを判定する。動作制御部６４は、予め定められた暖機完了条件が満たされているか否かを判定する。本実施形態では、暖機完了条件は、燃料電池スタック２０の温度が予め定められた閾値温度以上である場合に満たされる。なお、他の実施形態では、暖機完了条件は、例えば、燃料電池スタック２０以外のシステム補機類の温度が閾値温度以上になったときに満たされるものとしてもよい。また、暖機完了条件は、目標発熱量から求められる暖機完了時間が経過したときに満たされるものとしてもよい。
動作制御部６４は、暖機完了条件が満たされている場合には、暖機運転を完了し、始動処理を終了する。動作制御部６４は、始動処理の終了後には、燃料電池スタック２０の通常運転を開始する。一方、暖機完了条件が満たされていない場合には、動作制御部６４は、ステップＳ３０に戻り、目標発熱量で燃料電池スタック２０を発熱させる暖機運転を継続する。動作制御部６４は、ステップＳ４０における監視部６６による燃料ガス濃度判定を、ステップＳ６０で暖機完了条件が満たされるまで、所定の制御周期で繰り返し実行する。
図７は、排ガス希釈制御のフローを示す説明図である。排ガス希釈制御では、動作制御部６４は、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量を増大させる。また、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０に供給される空気の流量に対するバイパス配管３０８から排ガス配管３０６に流出する空気の流量の比が増大されるように、バイパス弁３９の開度を制御する。これによって、排ガス配管３０６から排出される排ガス中の燃料ガス濃度が低減される。
ステップＳ１００では、動作制御部６４は、バイパス配管３０８を通じて排ガス配管３０６へと流出させる空気の流量の増加量を決定する。以下、その増加量を「目標バイパス増加流量ΔＱｔ」と呼ぶ。動作制御部６４は、排ガスにおける燃料ガス濃度が高いほど目標バイパス増加流量ΔＱｔが大きくなる関係が規定されている予め準備されているマップを用いて、燃料ガスセンサ３１１の計測値に対する目標バイパス増加流量ΔＱｔを決定する。
ステップＳ１１０では、動作制御部６４は、ステップＳ１００で決定した目標バイパス増加流量ΔＱｔを用いて、エアコンプレッサ３３に指令する目標圧力比を決定する。本実施形態では、動作制御部６４は、バイパス配管３０８から流出する空気の流量の増加量とエアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量の増加量とが等しくなるように、エアコンプレッサ３３の目標圧力比を決定する。動作制御部６４は、その目標圧力比の決定には、エアコンプレッサ３３の動作特性を利用した、以下に説明する制御マップＣＭを用いる。
図８は、エアコンプレッサ３３の制御マップＣＭの一例を示す説明図である。制御マップＣＭには、エアコンプレッサ３３の動作特性に基づく関係が規定されている。エアコンプレッサ３３の動作特性は、エアコンプレッサ３３が同一の消費電力で駆動しているときの圧力比と流量とを一対一で対応させた、消費電力ごとの関係によって表される。以下、その関係を示している消費電力ごとのグラフを「等パワーラインＥＰＬ」とも呼ぶ。各等パワーラインＥＰＬの流量が比較的小さい低流量領域ＱＬでは、流量の増加に対する圧力比の低下幅が小さく、圧力比がほぼ一定に維持される。ここでの「ほぼ一定」には、±５％程度の変動幅が含まれる。各等パワーラインＥＰＬの流量が比較的大きい高流量領域ＱＨでは、流量の増加に対する圧力比の低下幅が、低流量領域ＱＬよりも大きい。より具体的には、各等パワーラインＥＰＬの高流量領域ＱＨでは、流量の増加にともなって圧力比が二次関数的に低下していく。消費電力が大きい等パワーラインＥＰＬほど、同じ流量に対して定まる圧力比は大きい。動作制御部６４は、エアコンプレッサ３３の動作特性を表すそうした関係が規定された制御マップＣＭを用いてエアコンプレッサ３３の駆動を制御する。動作制御部６４は、暖機運転だけではなく、通常運転など、燃料電池スタック２０の発電中にエアコンプレッサ３３を駆動させる際には、その制御マップＣＭを用いる。
まず、図６のステップＳ３０で暖機運転が開始されたときのエアコンプレッサ３３の動作制御について説明し、その後に、排ガス希釈制御でのエアコンプレッサ３３の動作制御を説明する。暖機運転の開始時には、動作制御部６４は、暖機運転用のエアコンプレッサ３３の消費電力を選択する。暖機運転用のエアコンプレッサ３３の消費電力は、暖機運転において燃料電池スタック２０に発電させる電力に応じて予め定められている。暖機運転において燃料電池スタック２０に発電させる電力およびエアコンプレッサ３３の消費電力は、燃料電池スタック２０の現在の温度に応じて変更されてもよい。図８に示すように、動作制御部６４は、選択した消費電力の等パワーラインＥＰＬａ上において、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の目標流量Ｑａに対する目標圧力比ＰＰａを取得する。この目標流量Ｑａは、暖機運転での酸化剤ガスのストイキ比に基づいて定められる。目標流量Ｑａは、低流量領域ＱＬに含まれる値である。動作制御部６４は、エアコンプレッサ３３が暖機運転用の消費電力で目標圧力比ＰＰａに応じて圧縮させた空気を送り出すように、エアコンプレッサ３３に指令する。
図７における排ガス希釈制御のステップＳ１１０では、動作制御部６４は、まず、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量が、ステップＳ１００で求めた目標バイパス増加流量ΔＱｔだけ増加するように、エアコンプレッサ３３の新たな目標流量Ｑｂを求める。目標流量Ｑｂは、現在のエアコンプレッサ３３の目標流量Ｑａに目標バイパス増加流量ΔＱｔを加算した値として算出される。動作制御部６４は、図８に示す制御マップＣＭを用いて、算出した新たな目標流量Ｑｂに対する目標圧力比ＰＰｂを、暖機運転用の消費電力に対応する等パワーラインＥＰＬａ上で取得する。目標バイパス増加流量ΔＱｔは、新たな目標流量Ｑｂが高流量領域ＱＨに含まれる値となるように定められており、目標圧力比ＰＰｂは、排ガス希釈制御が開始されたときの目標圧力比ＰＰａより小さい値として得られる。
ステップＳ１２０では、動作制御部６４は、バイパス弁３９とエアコンプレッサ３３とを制御する。具体的には、動作制御部６４は、バイパス配管３０８から排ガス配管３０６へと流入する空気の量が、目標バイパス増加流量ΔＱｔだけ増加するように、目標バイパス増加流量ΔＱｔに応じてバイパス弁３９の開度を大きくする。それとほぼ同時に、動作制御部６４は、エアコンプレッサ３３が、暖機運転用の消費電力で、ステップＳ１１０で求めた新たな目標圧力比ＰＰｂに応じて圧縮させた空気を送り出すように、エアコンプレッサ３３を駆動させる。
ステップＳ１２０でのエアコンプレッサ３３とバイパス弁３９の制御により、エアコンプレッサ３３の送り出す空気の流量と、バイパス配管３０８を通じて排ガス配管３０６へと流出する空気の流量とが増大される。より具体的には、燃料電池スタック２０に供給される空気の流量に対するバイパス配管３０８から排ガス配管３０６に流出する空気の流量の比が増大される。これにより、燃料電池スタック２０へと供給される空気の量の低下を抑制しながら、排ガス配管３０６を通じて大気中に放出される排ガスに含まれる空気の量を増加させることができる。よって、燃料電池スタック２０の発電状態の変化を抑制しつつ、大気中に放出される排ガス中の燃料ガス濃度を低減することができる。
動作制御部６４は、排ガス希釈制御が完了すると、図６の始動処理に戻り、ステップＳ６０で暖機完了条件が満たされるまで、暖機運転を継続する。なお、排ガス希釈制御の実行後、ステップＳ４０において燃料ガス濃度異常が検出されている間は、動作制御部６４は、排ガス希釈制御で設定されたエアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量およびバイパス配管３０８を通じてバイパスされる空気の流量を維持する。排ガス希釈制御の実行後、ステップＳ４０において燃料ガス濃度異常が検出されなくなった場合には、動作制御部６４は、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量およびバイパス配管３０８を通じてバイパスされる空気の流量を通常の暖機運転時の流量に戻す。
以上のように、燃料電池システム１０によれば、暖機運転中に燃料ガス濃度異常が検出された場合には、燃料電池スタック２０に供給される空気の流量に対するバイパス配管３０８から流出する空気の流量の比を増加させる排ガス希釈制御が実行される。これによって、燃料電池スタック２０への空気の供給量の低下を抑制しつつ、排ガス中の燃料ガス濃度を低減させることができる。
また、本実施形態の排ガス希釈制御では、バイパス配管３０８から流出する空気の流量の増加量とエアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量の増加量とが等しくなるように制御されている。そのため、排ガス希釈制御においてバイパス弁３９の開度が大きくされても、燃料電池スタック２０のカソードに対する空気の供給流量が変動してしまうことが抑制される。よって、燃料電池スタック２０の発電状態が変化することが抑制され、燃料電池スタック２０の発電を安定して継続させることができる。特に、本実施形態のように、酸化剤ガスのストイキ比を低減させた暖機運転を実行している場合、燃料電池スタック２０に対する空気の供給流量の変動は、燃料電池スタック２０の発電状態および発熱量に大きく影響する。そのため、暖機運転を安定的に継続させる上でも、排ガス希釈制御において、燃料電池スタック２０に対する空気の供給流量の変動が抑制されることによる効果は大きい。
本実施形態の排ガス希釈制御では、エアコンプレッサ３３の動作特性を利用して、エアコンプレッサ３３の消費電力が一定に維持されたまま、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量が増大される。よって、排ガス希釈制御のために燃料電池システム１０で消費される電力が増加することが抑制され、燃料電池システム１０のシステム効率の低下が抑制される。また、燃料電池スタック２０の発電量を増加させなくても排ガス希釈制御を実行することができるため、燃料電池スタック２０の発電状態を維持したまま暖機運転を安定して継続させることができる。
さらに、燃料電池スタック２０が限られた電力のみを出力している暖機運転において排ガス希釈制御が実行される際に、上記のように燃料電池スタック２０の発電状態の変動が抑制されていれば、二次電池９６に大きな負荷がかかることを抑制できる。本実施形態の二次電池９６のように、低温環境下で充放電の許容範囲が狭くなる特性を有する場合、そうした効果は、特に顕著なものとして得ることができ、二次電池９６の効果的な保護が可能となる。
本実施形態では、動作制御部６４は、排ガス希釈制御の実行前には、制御マップＣＭにおける低流量領域ＱＬの流量でエアコンプレッサ３３を駆動し、排ガス希釈制御では、制御マップＣＭにおける高流量領域ＱＨの流量でエアコンプレッサ３３を駆動している。これによって、排ガス希釈制御以外では、エアコンプレッサ３３の圧力比をほぼ一定に維持したままエアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量を制御することができる。一方、排ガス希釈制御では、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量を、排ガス希釈制御の実行前よりも大きく増大させることができる。よって、より効果的に、排ガス中の燃料ガス濃度を低減させることができる。
２．他の実施形態：
上記実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記実施形態と同様に、本開示の技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。
・他の実施形態１：
排ガス希釈制御は、暖機運転以外の燃料電池スタック２０の発電中に実行されてもよい。排ガス希釈制御は、燃料電池スタック２０の通常運転時に、監視部６６によって排ガス濃度異常が検出された場合に実行されてもよい。これにより、燃料電池スタック２０の通常運転時に、燃料電池スタック２０の発電状態が変動することを抑制しながら、排ガス中の燃料ガス濃度を低減させることができる。なお、燃料電池スタック２０の通常運転時に排ガス濃度異常が発生する原因としては、例えば、カソードへの酸化剤ガスの供給不良などに起因してカソードで燃料ガスが大量に発生した場合などが考えられる。
・他の実施形態２：
排ガス希釈制御では、バイパス配管３０８から流出する空気の流量の増加量とエアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量の増加量とが等しくなるように制御されていなくてもよい。つまり、排ガス希釈制御では、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量の増加量とは異なる増加量で、バイパス配管３０８を通じてバイパスされる空気の流量が増加されてもよい。この場合には、バイパス配管３０８から流出する空気の流量の増加量とエアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量の増加量との差は、その差によって生じる燃料電池スタック２０の発電状態の変動が許容範囲に収まる程度であることが望ましい。
・他の実施形態３：
エアコンプレッサ３３は、消費電力を維持したまま送り出す空気の流量を変更可能な動作特性を有するタイプのコンプレッサによって構成されていなくてもよい。この場合、エアコンプレッサ３３は、例えば、インペラを有していない構成であるルーツ式のコンプレッサによって構成されてもよい。ルーツ式のコンプレッサでは、通常、消費電力を維持したまま送り出す空気の流量を変更する制御は困難であるため、エアコンプレッサ３３をルーツ式のコンプレッサで構成した場合には、排ガス希釈制御では、コンプレッサに供給される電力は一定に維持されなくてもよい。
・他の実施形態４：
動作制御部６４は、排ガス希釈制御において、制御マップＣＭの低流量領域ＱＬを用いて、圧力比がほぼ一定のまま、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量を増大させてもよい。動作制御部６４は、排ガス希釈制御では、エアコンプレッサ３３の動作特性を表す関係が規定されている制御マップＣＭを用いることなく、エアコンプレッサ３３が送り出す空気の流量を制御してもよい。
３．その他：
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
本開示の技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック、２１…燃料電池セル、２２…第１エンドターミナル、２３…第２エンドターミナル、２５…開口部、３０…酸化剤ガス給排系、３０Ａ…酸化剤ガス供給系、３０Ｂ…酸化剤ガス排出系、３１…エアクリーナ、３３…エアコンプレッサ、３５…インタークーラ、３６…入口弁、３７…出口弁、３８…外気温センサ、３９…バイパス弁、５０…燃料ガス給排系、５０Ａ…燃料ガス供給系、５０Ｂ…燃料ガス循環系、５０Ｃ…燃料ガス排出系、５１…燃料ガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクタ、５５…循環ポンプ、５６…モータ、５７…気液分離器、５８…排気排水弁、５９…圧力センサ、６０…制御装置、６２…制御部、６４…動作制御部、６６…監視部、６８…記憶部、７０…冷媒循環系、７１…ラジエータ、７２…ラジエータファン、７３…スタック温度センサ、７４…冷媒循環ポンプ、７５…モータ、７９…冷媒循環路、７９Ａ…冷媒供給路、７９Ｂ…冷媒排出路、９１…電圧センサ、９２…電流センサ、９５…ＦＣコンバータ、９６…二次電池、９７…バッテリコンバータ、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、２００…負荷、３０２…カソード供給配管、３０６…排ガス配管、３０８…バイパス配管、３１０…マフラー、３１１…燃料ガスセンサ、５０１…アノード供給配管、５０２…アノード循環配管、５０４…アノード排出配管、ＣＭ…制御マップ、ＥＰＬ…等パワーライン、Ｍｆａ…マニホールド、Ｍｆｂ…マニホールド、Ｍｆｃ…マニホールド、ＰＰａ…目標圧力比、ＰＰｂ…目標圧力比、ＱＨ…高流量領域、ＱＬ…低流量領域、ＳＤ…積層方向

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    酸化剤ガスが供給されるカソードと、燃料ガスが供給されるアノードとを有する燃料電池スタックと、
    前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給制御を実行する酸化剤ガス給排系であって、前記カソードの入口に接続されているカソード供給配管と、前記カソードの出口に接続され、前記カソードから排出されるカソードオフガスを含む排ガスを大気中に排出する排ガス配管と、前記カソード供給配管と前記排ガス配管とを接続するバイパス配管と、前記カソード供給配管に前記酸化剤ガスを含む空気を圧縮して送り出すエアコンプレッサと、前記バイパス配管に流入する前記空気の流量を調整するバイパス弁と、を備える酸化剤ガス給排系と、
    前記アノードへの前記燃料ガスの供給制御を実行する燃料ガス給排系と、
    前記排ガス配管に設けられ、前記排ガス中の燃料ガス濃度を検出する燃料ガスセンサと、
    前記酸化剤ガス給排系と前記燃料ガス給排系の動作を制御し、前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電中に、前記燃料ガス濃度が予め定められた許容値を超える燃料ガス濃度異常を検出した場合には、前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量を増大させるとともに、前記バイパス弁の開度を制御して、前記燃料電池スタックに供給される前記空気の流量に対する前記バイパス配管から前記排ガス配管に流出する前記空気の流量の比を増大させる排ガス希釈制御を実行する、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池スタックの起動時に前記燃料電池スタックを昇温させる暖機運転を実行し、前記暖機運転の実行中に燃料ガス濃度異常を検出したときに、前記排ガス希釈制御を実行する、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記排ガス希釈制御において、前記バイパス配管から流出する前記空気の流量の増加量と前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量の増加量とが等しくなるように制御する、燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記エアコンプレッサは、消費電力を維持したまま送り出す前記空気の流量を変更可能な動作特性を有しており、
    前記エアコンプレッサは、前記燃料電池スタックの電力によって駆動し、
    前記制御部は、前記排ガス希釈制御において、前記燃料電池スタックから前記エアコンプレッサに供給される電力を一定に維持したまま前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量を増大させる、燃料電池システム。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
    前記動作特性は、同一の消費電力で駆動しているときの圧力比と流量とが一対一で対応する関係であって、前記流量が比較的小さい低流量領域では前記流量の増加に対する前記圧力比の低下幅が比較的小さく、前記流量が比較的大きい高流量領域では、前記流量の増加に対する前記圧力比の低下幅が前記低流量領域よりも大きくなる関係によって表され、
    前記制御部は、前記排ガス希釈制御の実行前には、前記低流量領域に含まれる目標流量で前記エアコンプレッサを駆動し、前記排ガス希釈制御では、前記高流量領域に含まれる目標流量で前記エアコンプレッサを駆動する、燃料電池システム。
  6. 燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池スタックのカソードの入口に接続されているカソード供給配管と、前記カソード供給配管に酸化剤ガスを含む空気を圧縮して送り出すエアコンプレッサと、前記カソードの出口に接続され、前記カソードから排出されるカソードオフガスを含む排ガスを大気中に排出する排ガス配管と、前記カソード供給配管と前記排ガス配管とを接続するバイパス配管と、前記バイパス配管に流入する前記空気の流量を調整するバイパス弁と、を備える酸化剤ガス給排系を制御して、前記カソードに対して前記酸化剤ガスを供給し、燃料ガス給排系を制御して、前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給することによって、前記燃料電池スタックに発電させる工程と、
    前記燃料電池スタックの発電中に、前記排ガス中の燃料ガス濃度が予め定められた許容値を超える燃料ガス濃度異常の発生を監視する工程と、
    前記燃料ガス濃度異常が検出された場合に、前記エアコンプレッサが送り出す前記空気の流量を増大させるとともに、前記バイパス弁の開度を制御して、前記燃料電池スタックに供給される前記空気の流量に対する前記バイパス配管から前記排ガス配管に流出する前記空気の流量の比を増大させる排ガス希釈制御を実行する工程と、
    を備える、制御方法。
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