CN101911358A

CN101911358A - 燃料电池系统

Info

Publication number: CN101911358A
Application number: CN2008801227674A
Authority: CN
Inventors: 蟹江尚树; 长沼良明; 小川朋也
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: KR101224527B1; WO2009081697A1; DE112008003315T5; DE112008003315B4; JP2009158209A; US20100266920A1; KR20100061757A; CN101911358B; US8691453B2; JP4524804B2

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，即使在低效率发电时旁通阀中发生了异常，也可防止燃料电池形成过剩化学计量比。通过控制装置(160)监视压力传感器(P1)或电流传感器(S5)的输出，当发生伴随旁通阀(B1)的关闭故障的异常时，使压力调节阀(A1)的开度增加而使阴极废气的排出量增加，使空气压缩机(60)的转速降低而使空气压缩机(60)的空气放出量减少，从而防止燃料电池(40)形成过剩化学计量比。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及具备通过氢和氧的电化学反应而产生电能的燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

作为利用氢和氧的电化学反应而发电的燃料电池，例如有固体高分子型燃料电池。该固体高分子型燃料电池具备层叠多个电池而构成的电池组。构成电池组的电池具备阳极(燃料极)和阴极(空气极)，在这些阳极和阴极之间，介有具有磺酸基作为离子交换基的固体高分子电解质膜。

向阳极供给包含燃料气体(氢气或将烃进行改性而形成富氢的改性氢)的燃料气体，向阴极供给作为氧化剂而包含氧的气体(氧化剂气体)，作为其一例是供给空气。通过向阳极供给燃料气体，燃料气体中所包含的氢和构成阳极的催化剂层的催化剂进行反应，由此产生氢离子。所产生的氢离子通过固体高分子电解质膜，在阴极和氧发生电反应。通过该电化学反应进行发电。

但是，在燃料电池系统中，低温起动时，如果前一次系统停止时的水分残留在燃料电池内，有时水分就会冻结而不能起动。另外，即使起动了，也可能因自身的反应而产生的生成水冻结而发电停止。

于是，控制燃料电池的发电效率而控制自身发热量。例如，减少反应气体的供给量或者使燃料电池的电极间短路，使燃料电池在反应物不足的状态下运转，增加燃料电池的电极间的过电压，由此来增加自身发热量。此时，如果减少反应气体的供给量而将燃料电池的电压控制在0伏附近，则单体电池中产生逆电位，氢向燃料电池的氧极一侧移动，氢有可能被从空气排出路径排出。因此，已经提出一种方案，其设置连接空气排出路径中的送风机的下游侧和空气排出路径的旁通路径，将由送风机供给的大气经由旁通路径导入空气排出路径，而稀释空气排出路径内部的氢(参照专利文献1)。

专利文献1：(日本)特开2006-73501号公报

在减少反应气体的供给量进行低效率发电而对燃料电池进行预热的过程中，为了稀释空气排出路径内部的氢，在用于控制流经旁通路径的空气量的旁通阀发生异常的情况下，例如旁通阀因冻结等粘固而发生关闭故障时，向燃料电池供给的空气量增大，燃料电池形成过剩化学计量比，燃料电池的I-V特性上升，会产生过大的发电能量。

在该状态下，执行转换器电压控制时，过电流流到DC/DC转换器及二次电池，DC/DC转换器及二次电池有可能破损。另外，在压力传感器因冻结而变成不能动作的状态下，空气背压阀(空气调压阀)被控制在关闭侧时，伴随空气压力的上升，燃料电池的电池组有可能破损。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种燃料电池，其即使在低效率发电时旁通阀中发生异常，也能够防止燃料电池形成过剩化学计量比。

为了达到上述目的，本发明的燃料电池系统，在空气向燃料电池供给的供给侧和空气从该燃料电池排出的排出侧之间进行旁通的旁通路上设有旁通阀，其特征在于，在低效率发电时该旁通阀中发生异常的情况下，降低所述燃料电池的该排出侧的压力以使阴极废气的排出量增加，且使空气的供给量减少。

根据这样的构成，在燃料电池低效率发电时，旁通阀中发生异常时，降低燃料电池的该排出侧(例如阴极废气流路)的压力以使阴极废气的排出量增加，并使空气的供给量减少，所以，能够防止燃料电池形成过剩化学计量比的情况，能够防止系统伴随过大的发电能量的产生而破损的情况。

构成所述燃料电池系统时，可以附加以下要素。优选在所述燃料电池的空气的排出侧具备空气背压阀，在所述燃料电池的空气的供给侧具备供给空气的空气压缩机，在所述旁通阀中发生异常的情况下，使所述空气背压阀的开度增加且使该空气压缩机的转速降低。

根据这样的构成，旁通阀发生异常时，可以通过增加空气背压阀的开度并降低空气压缩机的转速，来防止燃料电池形成过剩化学计量比的情况。

优选具备检测所述旁通阀的异常的旁通异常检测单元以及控制所述空气背压阀和所述空气压缩机的控制单元，所述控制单元响应所述旁通异常检测单元的检测输出，使所述空气背压阀的开度增加且使所述空气压缩机的转速降低。

根据这样的构成，由旁通异常检测单元检测出旁通阀的异常时，可以利用控制单元增加空气背压阀的开度，降低空气压缩机的转速，由此能够自动地防止燃料电池形成过剩化学计量比。

优选所述旁通异常检测单元监视所述空气压缩机的空气放出侧的压力，当该压力显示异常值时，检测出伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。

根据这样的构成，可以在空气压缩机的空气放出侧的压力显示异常值时，检测出伴随旁通阀的关闭故障的异常。

优选所述旁通异常检测单元在所述燃料电池的电流的绝对值或变化率超过电流阈值时，检测出伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。

根据这样的构成，可以在燃料电池的电流的绝对值或变化率超过电流阈值时，检测出伴随旁通阀的关闭故障的异常。

优选所述旁通异常检测单元的构成包括：压力传感器，检测所述空气压缩机的空气放出侧的压力；以及压力判断器，在所述压力传感器的检测压力超过压力阈值时，判断为伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。

根据这样的构成，可以在空气压缩机的空气排出侧的压力超过压力阈值时，检测出伴随旁通阀的关闭故障的异常。

优选所述旁通异常检测单元的构成包括：电流传感器，检测所述燃料电池的电流；以及电流判断器，在所述电流传感器的检测电流和电流指令值之差超过电流阈值时，判断为伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。

根据这样的构成，可以检测燃料电池的电流，当该检测电流和电流指令值之差超过电流阈值时，检测出伴随旁通阀的关闭故障的异常。

根据本发明，在低效率发电时，可以防止燃料电池形成过剩化学计量比，可以防止系统伴随过大的发电能量的产生而破损。

附图说明

图1是本实施方式的燃料电池系统的模块构成图；

图2是表示本实施方式的FC电流和FC电压的关系的图；

图3A是用于说明本实施方式的泵送氢的发生机理的图；

图3B是用于说明本实施方式的泵送氢的发生机理的图；

图4是用于说明快速预热时的阀粘固判断处理的流程图；

图5是用于说明对于快速预热的通常时的旁通阀的开度指令值计算处理的流程图；

图6是用于说明对于快速预热的异常时的旁通阀的开度指令值计算处理的流程图；

图7是用于说明对于压力调节阀的旁通阀粘固时切换判断处理的流程图；

图8是用于说明对于压力调节阀的电压降低处理的流程图；

图9是用于说明对快速预热时的空气压缩机的处理的流程图；

图10是用于说明快速预热时的空气供给控制、氢稀释控制的模块图。

标号说明

30燃料气体供给源、40燃料电池、50氢循环泵、60空气压缩机、70加湿模块、80稀释器、110牵引变换器、120辅机变换器、130DC/DC转换器、140蓄电池、160控制装置、180阀芯位置检测传感器、A1压力调节阀、B1旁通阀、11氧化气体供给路、12阴极废气流路、S4电压传感器、S5电流传感器、T1、T2温度传感器、P1，P2，P3压力传感器、mp1低效率运转化学计量比映射、mp2泵送氢量映射、mp3吹扫氢量映射、mp4空气调压阀开度映射、mp5旁通阀开度映射、mp6旁通阀粘固判断压力阈值映射、mp7快速预热时旁通阀开度映射、100燃料电池系统、200低效率运转控制运算部、202空气化学计量比运算部、204空气送气量指令值计算部、206FC需要空气量计算部、208低效率动作点校正部。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(本实施方式)

图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的要部构成的图。

本实施方式中，设想燃料电池汽车(FCHV)、电动汽车、混合动力汽车等车辆所搭载的燃料电池系统，但不仅是车辆，各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)及定置型电源也能够适用。

燃料电池系统100具备燃料气体循环供给系统和氧化气体供给系统。

燃料气体循环供给系统的构成包括：燃料气体供给源30、燃料气体供给路21、燃料电池40、燃料气体循环路22及阳极废气流路23，氧化气体供给系统的构成包括：空气压缩机60、氧化气体供给路11及阴极废气流路12。

燃料电池40是用所供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，具有将具备MEA(膜/电极接合体)等的多个单电池串联层叠而成的电池组结构。具体地说，可以利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸型等各种类型的燃料电池。

燃料电池供给源30是向燃料电池40供给氢气等燃料气体的单元，例如由高压氢罐、氢贮存罐等构成。燃料气体供给路21是用于将从燃料气体供给源30放出的燃料气体导入燃料电池40的阳极的气体流路，在该气体流路中从上游到下游配设有罐阀H1、氢供给阀H2、FC入口阀H3等阀。罐阀H1、氢供给阀H2、FC入口阀H3是用于向各气体流路21～23或燃料电池40供给(或切断)燃料气体的闭路阀，例如由电磁阀构成。

燃料气体循环路22是用于使未反应燃料气体向燃料电池40回流的返回气体流路，该气体流路中从上游到下游分别配设有FC出口阀H4、氢泵50、止回阀51。自燃料电池40排出的低压未反应燃料气体通过氢泵50适度加压后导入燃料气体供给路21。另外，燃料气体自燃料气体供给路21向燃料气体循环路22的逆流被止回阀51抑制。

阳极废气流路23是用于将包含自燃料电池40排出的氢废气的阳极废气向系统外排出的气体流路，该气体流路中配设有吹扫阀H5。

氧化气体供给系统中的氧化气体供给路11是燃料电池40的供给侧的路径，经由空气压缩机60及加湿模块70与燃料电池40的阴极入口连通。氧化气体供给系统中的阴极废气流路12是燃料电池40的排出侧的路径，自燃料电池40的阴极出口经由压力调节阀A1、上述加湿模块70与稀释器80连通。

空气压缩机(气体供给源)60将经由空气过滤器(图示略)从大气取入的空气(氧化气体；阴极气体)经由阴极入口供给到燃料电池40的阴极。阴极废气自燃料电池40的阴极出口排出。阴极废气中，除供燃料电池40的电池反应后的氧化废气以外，还包含在阴极侧生成的泵送氢等(详细后述)。该阴极废气因包含通过燃料电池40的电池反应所生成的水分而成为高湿润状态。

加湿模块70在流经氧化气体供给路11的低湿润状态的氧化气体和流经阴极废气流路12的高湿润状态的阴极废气之间进行水分交换，对供给到燃料电池40的氧化气体适度加湿。供给到燃料电池40的氧化气体的背压在控制装置160的控制之下，利用配设在阴极废气流路12的阴极出口附近的压力调节阀A1进行调压。另外，从空气压缩机60直到加湿模块70的氧化气体供给路11中，设有检测所供给的氧化气体的压力的压力传感器P1和检测该氧化气体的温度的温度传感器T1。

在此，从空气压缩机60直到加湿模块70的氧化气体供给路11和从加湿模块70直到稀释器80的阴极废气流路12之间，通过旁通阀B1连接。旁通阀(旁通装置)B1及旁通通路(旁通装置)31是使流经氧化气体供给路11的氧化气体的一部分绕过燃料电池40而导向阴极废气流路(排出通路)12的装置，利用控制装置(调节单元)160来调节被旁通的氧化气体(以下记为旁通空气)的气体量。旁通通路31中设有检测通过旁通阀B1前的旁通空气的压力(一次压)的压力传感器P2和检测通过旁通阀B1后的旁通空气的压力(二次压)的压力传感器P3。此外，在旁通阀B1的旁边设有在控制装置(检测单元)160的控制之下，检测旁通阀B1的阀芯位置的阀芯位置检测传感器(检测单元)180。

稀释器80以达到事先设定的浓度范围(根据环境基准而定的范围等)的方式对氢气的排出浓度进行稀释。该稀释器80连通阴极废气流路12的下游及阳极废气流路23的下游，将氢废气、泵送氢、氧废气、旁通空气进行混合稀释后向系统外排出。

由燃料电池40发电产生的直流电力的一部分利用DC/DC转换器130进行升降压，对蓄电池140进行充电。

蓄电池140是可充放电的二次电池，由各种类型的二次电池(例如镍氢蓄电池等)构成。当然，也可以代替蓄电池140而采用二次电池以外的可充放电的蓄电器，例如电容器。

牵引变换器110及辅机变换器120是脉宽调制式PWM变换器，根据所给予的控制指令将自燃料电池40或蓄电池140输出的直流电变换为三相交流电，供给到牵引马达M3及辅机马达M4。

牵引马达M3是用于驱动车轮150L、150R的马达，辅机马达M4是用于驱动各种辅机类的马达。另外，将驱动氢循环泵50的马达M1、驱动空气压缩机60的马达M2等总称为辅机马达M4。

控制装置160由CPU、ROM、RAM等构成，基于所输入的各传感器信号对该系统的各部分进行中枢控制。具体地说，除检测加速踏板开度的加速踏板传感器S1、检测蓄电池140的充电状态SOC(StateOfCharge)的SOC传感器S2、检测牵引马达M3的转速的T/C马达转速检测传感器S3、检测燃料电池40的输出电压的电压传感器S4、检测输出电流的电流传感器S5以外，还根据从温度传感器T1、T2、压力传感器P1、P2、P3等输入的各传感器信号，控制变换器110、120的输出脉宽等。

另外，控制装置160在低温起动时等有必要对燃料电池40进行预热的情况下，利用存储器170所存储的各映射mp1～mp5等进行发电效率低的运转。

图2是表示燃料电池的输出电流(FC电流)和输出电压(FC电压)的关系的图，用实线表示进行发电效率高的运转(通常运转)的情况，用虚线表示通过减少氧化气体量而进行发电效率低的运转的情况。横轴表示FC电流，纵轴表示FC电压。

通常，在使燃料电池40运转的情况下，使燃料电池40在将空气化学计量比(空气过剩系数)设定为1.0以上(理论值)的状态下运转(参照图2的实线部分)，以抑制电力损失而得到高的发电效率。在此，所谓空气化学计量比是指实际的空气供给量相对于使FC电流发电所需要的理论空气供给量的过剩率。

对此，在对燃料电池40进行预热的情况下，应增大电力损失而使燃料电池40的温度上升，使燃料电池40在将空气化学计量比设定为1.0附近(理论值)的状态下运转(参照图2的虚线部分)。将空气化学计量比设定得较低而进行运转时，通过氢和氧的反应而获得的能量中，电力损失部分(即热损失部分)明显地增大，因此，能够迅速地进行预热，另一方面，在其阴极产生泵送氢。

图3是用于说明泵送氢的发生机理的图，图3A是表示通常运转时的电池反应的图，图3B是表示低效率运转时的电池反应的图。

各单体电池4具备电解质膜4a和夹持该电解质膜4a的阳极电极及阴极电极。向阳极供给含氢(H₂)的燃料气体，向阴极供给含氧(O₂)的氧化气体。向阳极供给燃料气体后，下述式(A)的反应进行，氢分解为氢离子和电子。在阳极生成的氢离子透过电解质膜4a向阴极移动，而电子则从阳极通过外部电路向阴极移动。

在此，在向阴极供给的氧化气体供给充分的情况下(空气化学计量比≥1.0)，下述式(B)的反应进行，由氧、氢离子及电子生成水(参照图3A)。另一方面，像实施低效率发电中那样向阴极供给的氧化气体不足的情况下(空气化学计量比＜1.0＝，根据不足的氧化气体量，下述式(C)的反应进行，氢离子和电子再结合而生成氢(参照图3B)。所生成的氢和氧废气一起从阴极排出。另外，通过分离的氢离子和电子再结合而在阴极生成的氢、即在阴极生成的阳极气体称为泵送氢。

阳极：H₂→2H⁺+2e^- ...(A)

阴极：2H⁺+2e^-+(1/2)O₂→H₂O ...(B)

阴极：2H⁺+2e^-→H₂ ...(C)

这样，在向阴极供给的氧化气体供给不足的状态下，阴极废气中含有泵送氢，因此，根据阴极废气中所含的泵送氢量调节旁通阀B1的开度等。这样，可以通过调节旁通空气的流量，将发电需要的氧化气体供给到燃料电池40的阴极，同时稀释排出氢浓度以使其达到适当范围。

在此，在低温环境下实施低效率发电而对燃料电池40进行预热时，旁通阀B1中发生异常、因阀芯冻结粘固等而发生关闭故障时，有如下不良情况：从空气压缩机60供给的氧化气体不能经由旁通通路31而旁通，或者不能控制旁通量，从而比低效率发电时需要的氧化气体多的氧化气体被供给到燃料电池40，燃料电池40形成过剩化学计量比，伴随燃料电池40的I-V特性的上升，过电流流至DC/DC转换器130及蓄电池140。

因此，在本实施方式中，低效率发电时，在发生了伴随旁通阀B1的关闭故障的异常的情况下，为了减少低效率发电需要的氧化气体向燃料电池40的供给量，增加作为空气背压阀的压力调节阀A1的开度，降低阴极废气流路12的压力以使阴极废气的排出量增加，降低空气压缩机60的转速以使空气压缩机60对空气的放出量减少。

即，在本实施方式中，在实施低效率发电时，利用控制装置160监视压力传感器P1或P2的检测压力或电流传感器S5的检测电流，根据任一传感器的输出判断旁通阀B1有无异常，正常时则执行正常时的处理，异常时作为异常处理则控制压力调节阀A1的开度和空气压缩机60的转速。

这时，控制装置160中，作为旁通异常检测单元的要素之一，构成压力判断器，其在检测空气压缩机60的空气放出侧的压力的压力传感器P1(或P2)的检测压力超过压力阈值时，判断为伴随旁通阀B1的关闭故障的异常，并且，构成电流判断器，其在检测燃料电池40的电流的电流传感器S5的检测电流和电流指令值之差超过电流阈值时，判断为伴随旁通阀B1的关闭故障的异常。此外，控制装置160作为用于进行响应旁通异常检测单元的检测输出而增加压力调节阀A1的开度且降低空气压缩机60的转速的控制单元发挥功能。

下面，对低效率发电时的燃料电池系统的动作进行说明。

<旁通阀正常时的处理>

控制装置160判断用温度传感器T2检测出的FC温度是否低于存储器(图示略)中所设定的基准温度。在此，基准温度是用于判断系统起动时是否应实施低效率运转的基准温度(例如0℃)。另外，基准温度也可以在制造出厂时等事先设定，也可以通过按钮操作等适当设定或变更。

控制装置160在检测出所检测的FC温度超过基准温度时，开始通常运转，结束处理。

另一方面，控制装置160在检测出所检测的FC温度低于基准温度时，应开始低效率运转，确定作为目标的低效率运转动作点(It、Vt)后(参照图2)，参照存储器170中存储的低效率化学计量比映射mp1。低效率运转化学计量比映射mp1是根据FC电流指令值It和FC电压指令值Vt来确定空气化学计量比的映射，以通过实验等求出的值为基础而作成。控制装置160利用已确定的FC电流It、FC电压Vt、低效率运转化学计量比映射mp1，确定该运转动作点的空气化学计量比Ra。

控制装置160确定空气化学计量比Ra时，参照存储器170中存储的泵送氢量映射mp2及吹扫氢量映射mp3。泵送氢量映射mp2是根据FC电流指令值It、已确定的空气化学计量比Ra、用温度传感器S6检测出的燃料电池40的温度来推测泵送氢的产生量(泵送氢量)的映射，以通过实验等求出的值为基础而作成。另外，吹扫氢量映射mp3是用于根据FC电流推测包含氢废气的阳极废气的排出量(吹扫氢量)的映射。

控制装置160利用已确定的FC电流指令值It、空气化学计量比Ra、燃料电池40的温度、泵送氢量映射mp2推测泵送氢量Ap1，另一方面，利用已确定的电流指令值It、吹扫氢量映射mp3推测吹扫氢量Ap2，求出作为目标的低效率动作点(It，Vt)的总排气氢量At(参照下述式(1))。

At＝Ap1+Ap2 ...(1)

控制装置160求出总排气氢量At后，导出将排气氢浓度降低到基准值以下所需要的FC需要空气流量、空气扫气量指令值和旁通空气流量。具体地说，首先利用下述式(2)求出燃料电池40需要的空气流量(FC需要空气流量)An。

An＝It×{400×22.4×60/(4×96485)}×100/21 ...(2)

接着，控制装置160利用下述式(3)求出燃料电池40中所消耗的空气流量(FC消耗空气流量)Ac，并且，利用下述式(4)求出将排气氢浓度稀释到基准值以下所需要的空气流量(总空气流量)Ad。

Ac＝It×400×22.4×60/(4×96485) ...(3)

Ad＝(At×100/Dt)+Ac ...(4)

Dt：排气氢的目标浓度(％)

此外，控制装置160对FC需要空气流量An加上旁通最低空气流量Ab1后的值与总空气流量Ad进行比较，将大的一方作为空气压缩机60的空气送气量指令值Asp而设定(参照下述式(5))。然后，将所设定的空气送气量指令值Asp和FC需要空气流量An代入下述式(6)，由此求出旁通空气流量Abp。另外，旁通最低空气流量Ab1表示低效率运转时应流向旁通通路31的空气流量的最小值。

Asp＝MAX{(An+Ab1)，(Ad)} ...(5)

Abp＝Asp-An ...(6)

控制装置160在求FC需要空气流量An、旁通空气流量Abp时，参照空气调压阀开度映射mp4及旁通阀开度映射mp5。空气调压阀开度映射mp4是用于根据FC需要空气流量An和旁通空气流量Abp确定空气调压阀A1的开度的映射，旁通阀开度映射mp5是用于根据FC需要空气流量An和旁通空气流量Abp确定旁通阀B1的开度的映射。

控制装置160利用FC需要空气流量An、旁通空气流量Abp、空气调压阀开度映射mp4、旁通阀开度映射mp5来调节空气调压阀A1的开度及旁通阀B1的开度。这时，空气调压阀A1的开度根据用电流传感器S5检测出的FC电流的测定值和目标值的偏差，对生成的PID校正项进行校正。

此外，控制装置160在根据已设定的送气量指令值As控制空气压缩机60的驱动的过程中，判断是否应结束低效率运转。在此，如果燃料电池40的温度为事先所设定的温度以上，则结束低效率运转，另一方面，如果小于基准温度，则继续进行上述的处理。

<有关旁通阀的处理>

接着，按照图4的流程图说明FC发电状态＝快速预热时的阀粘固判断处理。

首先，控制装置160在为了实施低效率发电而开始快速预热时，判断快速预热是否了粘固判断开始等待时间以上(S1)。其结果是，以快速预热继续了粘固判断开始等待时间以上为条件(YES：是)，判断压力传感器P1(或P2)的检测压力(出口空气压力过滤值)是否大于存储在旁通阀粘固判断压力阈值映射mp6中的阀粘固判断压力阈值(S2)。该判断结果在得到肯定的判断结果时(TES)，判断是否继续了阀粘固判断时间以上(S3)。然后，在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，作为伴随旁通阀B1的关闭故障的异常，将旁通阀粘固标志置于开(ON)(S4)，结束在该程序中的处理。

另一方面，在步骤S2得到否定的判断结果时(NO：否)，控制装置160判断电流传感器S5的检测电流(FC电流过滤值)-FC电流指令值是否大于旁通阀粘固判断电流阈值(S5)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，转移到步骤S3、S4的处理，否则结束该程序中的处理。

在以上的处理中，控制装置160在压力传感器P1的检测压力超过阈值时或电流传感器S5的检测电流和指令值之差超过阈值时，可以判断为发生了伴随旁通阀B1的关闭故障的异常。

接着，根据图5的流程图说明对于进行快速预热时的通常时的旁通阀B1的开度指令值计算处理。

首先，控制装置160判断旁通阀粘固标志是否为关(OFF)(S11)。作为该判断的结果，以旁通阀粘固标志成为OFF为条件(YES)将旁通阀开度指令值设定为快速预热时的旁通阀开度映射mp7中所存储的开度(S12)，结束该程序中的处理。即，在进行快速预热时的通常时，控制装置160将对于旁通阀B1的开度指令值设定为快速预热时的旁通阀开度映射mp7中所存储的开度(考虑了FC需要空气量和旁通空气流量的开度)。

接着，根据图6的流程图说明对于进行快速预热时的异常时的旁通阀B1的开度指令值计算处理。

首先，控制装置160判断是否旁通阀粘固标志为ON且旁通阀粘固时切换结束标志为OFF(S21)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，作为条件成立，将这次(现时点)的旁通阀开度指令值作为上一次的旁通阀开度指令值(上次值)(S22)，结束该程序中的处理。

另一方面，在步骤S21中得到否定的判断结果时(NO)，作为条件不成立，控制装置160设定为旁通阀开度指令值＝0％(全闭)(S23)，结束该程序中的处理。

接着，根据图7的流程图说明对于压力调节阀A1的旁通阀粘固时切换判断处理。

首先，控制装置160在FC发电状态为通常发电且不是FC间歇式运转的情况下，判断是否旁通阀粘固标志为ON且旁通阀粘固时切换结束标志为OFF(S31)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，作为条件成立，判断压力调节阀开度指令值是否为稀释控制切换结束开度以上(S32)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，作为条件成立，将旁通阀粘固时切换结束标志置于ON(S33)，结束该程序中的处理。

另一方面，在步骤S32中得到否定的判断结果时(NO)，判断旁通阀粘固标志ON是否继续了旁通阀粘固时切换超时以上(S34)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，转移到步骤S33的处理。而在步骤S34得到否定的判断结果时(NO)，将旁通阀粘固时切换结束标志置于OFF(S35)，结束该程序中的处理。

接着，根据图8的流程图说明对于压力调节阀A1的其他旁通阀粘固时切换判断处理。

首先，控制装置160在FC发电状态为电压降低的情况下，判断旁通阀粘固标志是否为OFF(S41)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，作为条件成立，设定为压力调节阀开度指令值＝0％(全闭)(S42)，结束该程序中的处理。

另一方面，在步骤S41中得到否定的判断结果时(否)，控制装置160设定为压力调节阀开度指令值＝100％(全开)(S43)，结束该程序中的处理。另外，在步骤S43中，空气流量偏差(调压)＝0，将控制装置160中的PI(比例积分控制)的快速预热时的空气调压FB(反馈)比例项、FB积分项(上次值)、FB校正值全部设定为0。

接着，根据图9的流程图说明对快速预热时的空气压缩机60的处理。

首先，控制装置160判断是否旁通阀粘固标志为ON且旁通阀粘固时切换结束标志为OFF(S51)。在该判断中得到肯定的判断结果时(YES)，作为条件成立，设定空气压缩机送气量指令值＝稀释切换时空气量(S52)，结束该程序中的处理。另一方面，在步骤S51中得到否定的判断结果时(NO)，设定为空气压缩机送气量指令值＝FC需要空气量+快速预热时空气流量FB校正值(S53)，结束该程序中的处理。

即，控制装置160在旁通阀B1异常时，设定用于降低空气压缩机60的转速而减少空气放出量的空气调节器送气量指令值。

接着，根据图10的模块图说明快速预热时的空气供给控制、氢稀释控制。

本实施方式中，起动时和包含P范围的快速预热模式运转时，在旁通阀B1、压力调节阀A1因冻结等而粘固的情况下，停止使用旁通阀B 1的旁通控制，通过空气压缩机流量来实施低效率动作点校正。这时，即使在通过低效率运转控制运算而在动作点施加屏蔽的快速预热模式运转时，例如在包括D范围、N范围的低效率运转时，也不实施旁通稀释控制，以不使泵送氢浓度超过目标浓度。

具体地说，控制装置160具备作为低效率运转控制运算部200、空气化学计量比运算部202、空气送气量指令计算部204、FC需要空气量计算部206、低效率动作点校正部208的功能而构成。低效率运转控制运算部200例如基于对于燃料电池系统的请求电力，计算对于低效率发电时的燃料电池40的FC电流指令值300、FC电压指令值302。空气化学计量比运算部202基于温度传感器T2检测出的FC水温和FC电流指令值300，检索基准I-V映射mp8，抽出FC基准电压值304，用偏差计算器210算出所抽出的基准电压值304和电压指令值302的偏差，生成空气浓度过电压目标值306，基于空气浓度过电压目标值306检索空气化学计量比映射mp9，抽出对应于空气浓度过电压目标值306的化学计量比映射值308。

FC需要空气量计算部206根据FC消耗氧量÷k(系数)×化学计量比映射值308计算出FC需要空气量310。

低效率动作点校正部208通过偏差计算器212计算电流传感器S5检测的FC电流过滤值和FC电流指令值300的偏差，通过变换部214将偏差计算器212算出的电流变换为空气量，基于变换部214的输出通过PI控制部216算出FB量，通过加算器218将PI控制部216的计算结果和FC空气量310相加，将加算器218的输出作为空气送气量指令值312输出到空气压缩机60。空气压缩机60将空气送气量指令值312作为转速指令值，对其转速进行控制。该空气送气量指令值312作为在伴随旁通阀B1的关闭故障的异常时相比通常运转时要降低转速的指令，给予空气压缩机60。然后，空气压缩机60的转速降低时，空气压缩机60的空气放出量伴随空气压缩机60的转速降低而减少。

根据本实施方式，发生了伴随旁通阀B1的关闭故障的异常时，增加压力调节阀A1的开度，降低空气压缩机60的转速而减少空气放出量，减少对燃料电池40的氧化气体的供给量，并且，确保阴极废气的排出流路，因此，可以防止燃料电池40形成过剩化学计量比，并且，即使在旁通阀B1异常时也能够继续进行用于实施低效率发电的快速预热运转。

另外，根据本实施方式，压力调节阀A1开放到指定的开度时，控制空气压缩机60的转速，以达到根据快速预热用转速映射得到的空气流量，由此，也能够继续进行电压下降处理。

另外，在本实施方式中，在判断旁通阀B1异常时，也可以代替判断电流传感器S5的检测电流和电流指令值之差是否超过阀粘固判断电流阈值，而判断电流传感器S5的检测电流(FC电流过滤值)-FC电流指令值之差的绝对值或变化率是否超过阀粘固判断电流阈值。

另外，在本实施方式中，作为减少燃料电池40的空气供给量的方法，例示了减少空气压缩机的转速的方法，但并不仅限于此。只要能够减少燃料电池的空气供给压，就可以采用其他各种公知的技术，例如采用将空气释放到外部，或临时打开收容罐，或在具备其他的旁通路的情况下开放其他的旁通路等。

另外，在本实施方式中，作为降低燃料电池40的排出侧的压力的方法，例示了增大压力调节阀A1的开度的方法，但并不仅限于此。只要能够降低排出侧的压力，就可以采用其他各种公知的技术，例如打开设置在阴极废气路径的吹扫阀，或临时打开收容罐等。

本发明的燃料电池系统适于即使在低效率发电时旁通阀发生了异常也可防止燃料电池形成过剩化学计量比的情况。

Claims

1.一种燃料电池系统，在空气向燃料电池供给的供给侧和空气从该燃料电池排出的排出侧之间进行旁通的旁通路上设有旁通阀，其特征在于，

在低效率发电时该旁通阀中发生异常的情况下，降低所述燃料电池的该排出侧的压力以使阴极废气的排出量增加，且使空气的供给量减少。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料电池的空气的排出侧具备空气背压阀，在所述燃料电池的空气的供给侧具备供给空气的空气压缩机，在所述旁通阀中发生异常的情况下，使所述空气背压阀的开度增加且使该空气压缩机的转速降低。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，具备：

检测所述旁通阀的异常的旁通异常检测单元；以及

控制所述空气背压阀和所述空气压缩机的控制单元，

所述控制单元响应所述旁通异常检测单元的检测输出，使所述空气背压阀的开度增加且使所述空气压缩机的转速降低。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述旁通异常检测单元监视所述空气压缩机的空气放出侧的压力，当该压力显示异常值时，检测出伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。

5.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述旁通异常检测单元在所述燃料电池的电流的绝对值或变化率超过电流阈值时，作为伴随所述旁通阀的关闭故障的异常而检测出。

6.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述旁通异常检测单元的构成包括：

压力传感器，检测所述空气压缩机的空气放出侧的压力；以及

压力判断器，在所述压力传感器的检测压力超过压力阈值时，判断为伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。

7.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述旁通异常检测单元的构成包括：

电流传感器，检测所述燃料电池的电流；以及

电流判断器，在所述电流传感器的检测电流和电流指令值之差超过电流阈值时，判断为伴随所述旁通阀的关闭故障的异常。