JP2003017094A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池からの水素漏れ量が所定値を越えな
いようにする。。 【解決手段】 水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして
発電する燃料電池１１を要求発電状態に応じた作動圧力
にて運転する燃料電池の運転方法において、燃料電池１
１の周辺に水素濃度を検出する水素センサ５４を設け、
水素センサ５４の検出値と現在の作動圧力での水素漏れ
量と燃料電池１１の特性に基づいて、燃料電池からの水
素漏れ量が所定値を越えない作動圧力を予測し、該作動
圧力以下に作動圧力を制限して燃料電池１１を運転す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素ガスと酸化
剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池の運転方法に
関し、特に、水素漏れに対する安全管理に優れた燃料電
池の運転方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池自動車等に搭載される燃料電池
には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体
高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み
込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタッ
クからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素
極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空
気極とを備えたものがある。この燃料電池においては、
アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体
高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソ
ードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。

【０００３】ところで、水素ガスは可燃性ガスであるた
め、大気中への漏洩には十分な注意が必要であり、一般
に水素を取り扱う場所では、安全管理上、水素濃度をモ
ニターして、検出した水素濃度の大きさに応じて必要な
措置を施すようにしており、水素ガスを燃料とする燃料
電池も例外ではない。その一方で、水素は透過性の高い
物質であるため完全に遮断するのは極めて難しく、特
に、前述した固体高分子電解質膜型の燃料電池は積層構
造をなすため、燃料電池から水素が漏出するのを完全に
遮断するのは難しい。

【０００４】そこで、従来は、燃料電池の近傍に水素濃
度を検出する水素センサを設置し、水素センサが所定水
素濃度以上を検出した場合には、警報を発したり、燃料
電池の運転を停止させたりしている。また、例えば、特
開平８−３１４３６号公報に開示されているように、燃
料電池を換気可能なボックスに収納し、ボックス内に水
素濃度を検出する水素センサを設置してボックス内の水
素濃度を常時監視し、水素センサで検出された水素濃度
が所定値を越えたときには、換気ファンを運転して強制
換気し、ボックス内の水素濃度を低減するようにしたも
のもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように水素センサで所定水素濃度を検知したときに警報
や運転停止を行うシステムの場合には、予見性がなく緊
急停止してしまうときがある。燃料電池自動車の場合
に、このように燃料電池の運転が緊急停止してしまう
と、修理をする場所まで移動することができなくなると
いう問題があった。また、特開平８−３１４３６号公報
に開示されたように、水素センサで所定水素濃度を検知
したときに換気ファンを運転してボックス内を強制換気
するシステムの場合には、水素の漏洩量を抑制するわけ
ではないので、その後も水素の漏洩量が増大し続ける虞
があった。

【０００６】そこで、この発明は、燃料電池からの水素
漏れ量は燃料電池の作動圧力（すなわち、反応ガスの供
給圧力）と相関があり、作動圧力が高いほど水素漏れ量
が多くなるという特性を利用して、燃料電池からの水素
漏れ量が所定値を越えないように作動圧力を制限する燃
料電池の運転方法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、水素ガスと酸化剤ガス
を反応ガスとして発電する燃料電池（例えば、後述する
実施の形態における燃料電池１１）を要求発電状態に応
じた作動圧力にて運転する燃料電池の運転方法におい
て、前記燃料電池の周辺に水素濃度を検出する水素セン
サ（例えば、後述する実施の形態における水素センサ５
４）を設け、該水素センサの検出値に基づいて、前記燃
料電池からの水素漏れ量が所定値（例えば、後述する実
施の形態における許容水素漏れ量Ｈｌｉｍ）を越えない
ように前記作動圧力（例えば、後述する実施の形態にお
ける空気供給圧力）を制限することを特徴とする。

【０００８】燃料電池の周辺の換気量が一定のときに
は、燃料電池からの水素漏れ量と燃料電池周辺の水素濃
度との間には相関がある。したがって、水素センサの検
出値に基づいて燃料電池からの水素漏れ量を推定するこ
とができる。また、燃料電池からの水素漏れ量は燃料電
池の作動圧力（すなわち、反応ガスの供給圧力）に依存
し、作動圧力が高いほど水素漏れ量が多くなるという特
性を有している。したがって、水素センサの検出値に基
づいて、前記燃料電池からの水素漏れ量が所定値を越え
ないように前記作動圧力を制限して燃料電池の運転を制
御することが可能となる。

【０００９】請求項２に記載した発明は、請求項１に記
載の発明において、現在の作動圧力での水素漏れ量と前
記燃料電池の特性に基づいて、水素漏れ量が前記所定値
を越えない作動圧力（例えば、後述する実施の形態にお
ける許容作動圧力Ｐｌｉｍ）を予測し、該作動圧力以下
に作動圧力を制限することを特徴とする。燃料電池の周
辺の換気量が一定のときには燃料電池からの水素漏れ量
と燃料電池周辺の水素濃度との間には相関があり、燃料
電池からの水素漏れ量は燃料電池の作動圧力（すなわ
ち、反応ガスの供給圧力）に依存するので、水素センサ
で検出した現在の水素濃度と現在の燃料電池の作動圧力
から、水素漏れ量が前記所定値未満となる作動圧力を予
測することができ、該作動圧力以下に作動圧力を制限し
て燃料電池の運転を制御することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る燃料電池の
運転方法の一実施の形態を図１から図７の図面を参照し
て説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車
に搭載された燃料電池に適用した態様である。

【００１１】図１は燃料電池自動車の概略構成図であ
る。燃料電池自動車１は、燃料電池１１と、蓄電装置、
例えばキャパシタ１２とから構成されたハイブリッド型
の電源装置を備えており、これらの電源装置から電力が
供給される走行用モータ１３の駆動力は、オートマチッ
クトランスミッション或いはマニュアルトランスミッシ
ョンよりなるトランスミッションＴ／Ｍを介して駆動輪
Ｗに伝達される。また、車両の減速時に駆動輪Ｗ側から
走行用モータ１３側に駆動力が伝達されると、走行用モ
ータ１３は発電機として機能していわゆる回生制動力を
発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして
回収する。

【００１２】燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオ
ン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカ
ソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積
層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水
素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を
含む空気が供給される空気極とを備えている。そして、
アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体
高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソ
ードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようにな
っている。

【００１３】燃料電池１１の空気極には、酸化剤供給部
をなすエアコンプレッサ２１から空気が供給される空気
供給口１１ａと、空気極内の空気等を外部に排出するた
めの空気排出口１１ｂが設けられている。一方、水素極
には、燃料供給部をなす水素タンク３１から水素ガスが
供給される水素供給口１１ｃと、水素極内の水素ガス等
を外部に排出するための水素排出口１１ｄが設けられて
いる。

【００１４】エアコンプレッサ２１は、例えば車両の外
部から空気を取り込んで断熱圧縮して、この空気を、反
応ガスとして燃料電池１１の空気極側に供給すると共
に、圧力信号として後述する燃料供給制御弁３２および
エゼクタバイパス制御弁３５に供給する。エアコンプレ
ッサ２１にて圧縮昇温された空気は、冷却器２２に供給
可能とされており、例えば燃料電池１１の運転状態に応
じて、冷却器２２にて所定温度まで冷却された空気は、
カソード加湿器２４および燃料供給制御弁３２およびエ
ゼクタバイパス制御弁３５に供給される。

【００１５】また、エアコンプレッサ２１と、カソード
加湿器２４および燃料供給制御弁３２およびエゼクタバ
イパス制御弁３５とを接続する流路には、冷却器２２お
よび、例えば冷却器２２の下流側に設けられた冷却器バ
イパス制御弁２３を迂回する冷却器バイパス流路２２ａ
が設けられている。すなわち、燃料電池１１の運転状態
に応じて、冷却器バイパス制御弁２３を閉弁することに
よって、エアコンプレッサ２１にて圧縮昇温された空気
を、冷却すること無しに燃料電池１１および燃料供給制
御弁３２およびエゼクタバイパス制御弁３５へ供給する
ことができるようにされている。

【００１６】カソード加湿器２４は、例えば中空糸膜等
の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１の空
気排出口１１ｂから排出される排出空気を、反応ガスと
して供給される空気に対する加湿ガスとして利用してい
る。すなわち、水透過膜を介して空気と排出空気とを接
触させると、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）
は水透過膜の膜穴を透過した後に水蒸気として空気に供
給される。そして、加湿された空気は燃料電池１１に供
給され、燃料電池１１の固体高分子電解質膜のイオン導
電性が所定の状態に確保されている。なお、後述するよ
うに、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出された
排出空気は、順次、アノード加湿器３７、カソード加湿
器２４へ加湿ガスとして供給され、カソード加湿器２４
から排出された排出空気は背圧制御弁２５を介して車外
に排出されるようになっている。

【００１７】背圧制御弁２５は、燃料電池１１の運転状
態に応じて、ＥＣＵ４４によって開閉動作が制御されて
おり、ＥＣＵ４４から入力される制御信号に応じた弁開
度に設定されることで、燃料電池１１内に反応ガスとし
て供給される空気の圧力（空気供給圧力）が所定の圧力
となるように制御される。なお、空気供給圧力は、燃料
電池１１の発電電流が大きいほど大きくなるように制御
される。

【００１８】燃料電池１１に対する燃料としての水素ガ
スは、例えば高圧の水素タンク３１から燃料供給制御弁
３２へ供給される。燃料供給制御弁３２は、例えば空気
式の比例圧力制御弁をなし、エアコンプレッサ２１から
供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給制御弁
３２を通過した水素ガスが燃料供給制御弁３２の出口で
有する圧力が、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるよ
うに制御する。

【００１９】燃料供給制御弁３２を通過した水素ガスは
熱交換器３３に供給されている。この熱交換器３３にお
いて、燃料電池１１の運転状態に応じて、例えば冷却材
との熱交換反応等によって所定の温度に設定された水素
ガスは、順次、エゼクタ３４あるいはエゼクタバイパス
制御弁３５、アノード加湿器３６を介して水素供給口１
１ｃから燃料電池１１の水素極に供給される。

【００２０】さらに、燃料電池１１の水素排出口１１ｄ
から排出された未反応の排出ガスは、貯溜タンク３７を
通じてエゼクタ３４へと導入されており、熱交換器３３
から供給された水素ガスと、燃料電池１１から排出され
た排出ガスとが混合されて燃料電池１１に再び供給され
ている。エゼクタ３４は、内部を流通する高速の水素ガ
ス流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料
電池１１からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスを熱
交換器３３を介して供給される水素ガスと混合して燃料
電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出
された排出ガスを循環させている。

【００２１】また、熱交換器３３とアノード加湿器３６
とを接続する流路には、エゼクタ３４を迂回するエゼク
タバイパス流路３４ａが設けられている。ここで、エゼ
クタバイパス流路３４ａには、例えば空気式の比例圧力
制御弁をなすエゼクタバイパス制御弁３５がエゼクタ３
４に対して並列配置されており、エアコンプレッサ２１
から供給される空気の圧力を信号圧として、エゼクタバ
イパス制御弁３５を通過した水素ガスがエゼクタバイパ
ス制御弁３５の出口で有する圧力つまり水素供給圧力
が、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように制御さ
れる。

【００２２】すなわち、酸化剤ガスとしての空気の圧力
を基準圧力として、燃料供給制御弁３２およびエゼクタ
バイパス制御弁３５での圧力流量制御によって、エゼク
タ３４を通過する水素ガスの圧力流量特性が所定の状態
となるように制御され、燃料電池１１の固体高分子電解
質膜に対する酸化剤の圧力（空気供給圧力）と、燃料の
圧力（水素供給圧力）との差、つまり燃料極と空気極と
の極間差圧が所定圧力差の範囲内になるように制御され
る。つまり、燃料電池１１に供給される空気供給圧力お
よび水素供給圧力（すなわち、燃料電池１１の作動圧
力）は、燃料電池１１の運転状態に応じて制御され、燃
料電池１１の発電電流が大きくなるほど燃料電池１１の
作動圧力が大きくなるように制御される。

【００２３】アノード加湿器３６は、例えば中空糸膜等
の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１の空
気排出口１１ｂから排出される排出空気を、水素ガスに
対する加湿ガスとして利用している。すなわち、水透過
膜を介して水素ガスと排出空気とを接触させると、排出
空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は水透過膜の膜穴
を透過した後に水蒸気として水素ガスに供給される。そ
して、加湿された水素ガスは燃料電池１１に供給され、
燃料電池１１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所
定の状態に確保されている。

【００２４】貯溜タンク３７は、燃料電池１１の水素排
出口１１ｄから排出された排出ガスに対して気液分離を
行い、排出ガス中に含まれる液体状の水分を分離して貯
溜する。排出制御弁３８は、燃料電池１１の運転状態に
応じて、ＥＣＵ４４によって開閉動作が制御されてお
り、例えば貯溜タンク３７にて分離された排出ガス中の
過剰な水分（主に液体水）等を車外に排出する。

【００２５】燃料電池１１から取り出される発電電流は
電流制御器４１に入力されており、この電流制御器４１
には蓄電装置をなす、例えば電気二重層コンデンサや電
解コンデンサ等からなるキャパシタ１２が接続されてい
る。そして、燃料電池１１とキャパシタ１２は、電流制
御器４１および出力制御器４２を介して、電気的負荷で
ある走行用モータ１３、および、エアコンプレッサ２１
を駆動するモータ４３等に対して並列に接続されてい
る。

【００２６】電流制御器４１は、例えばＤＣ−ＤＣチョ
ッパ等を備えて構成されており、後述するように、ＥＣ
Ｕ４４から出力される目標発電電流ＩＦＣつまり燃料電
池１１に対する発電指令に基づいて、燃料電池１１から
取り出される発電電流の電流値を制御する。

【００２７】出力制御器４２は、例えばＩＧＢＴ等のス
イッチング素子から構成された走行モータ用およびエア
コンプレッサモータ用のＰＷＭインバータをそれぞれ備
えており、後述するように、ＥＣＵ４４から出力される
走行用モータ１３に対するトルク指令やエアコンプレッ
サ２１に対する回転数指令等に基づき、電流制御器４１
を介して燃料電池１１およびキャパシタ１２から出力さ
れる直流電力を３相交流電力に変換して、走行用モータ
１３およびエアコンプレッサ２１を駆動するモータ４３
へ供給する。

【００２８】なお、走行用モータ１３およびモータ４３
は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の
３相交流同期モータとされており、出力制御器４２から
供給される３相交流電力により駆動制御される。ＥＣＵ
４４は、例えば、蓄電装置をなすキャパシタ１２から出
力される出力電流および端子電圧および温度の信号に基
づいてキャパシタ１２の残容量を算出し、走行用モータ
１３やモータ４３等の負荷への電力供給を制御する。

【００２９】さらに、ＥＣＵ４４は、出力制御器４２に
具備された前記ＰＷＭインバータの電力変換動作を制御
しており、例えば走行用モータ１３に対しては、運転者
によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に関するアク
セル開度ＡＣの信号に基づいて、要求されるモータ出力
を算出する。そして、このモータ出力指令を出力制御器
４２に入力することで、モータ出力指令に応じたパルス
幅変調信号が走行モータ用ＰＷＭインバータに入力さ
れ、要求されるモータ出力を発生させるための各相電流
が走行用モータ１３の各相へと出力される。

【００３０】また、ＥＣＵ４４は、燃料電池１１を運転
するために必要な補機類の電気負荷を算出し、この電気
負荷と前記走行用モータ１３に要求されるモータ出力に
基づいて、電流制御器４１にて燃料電池１１から取り出
す発電電流に対する目標発電電流ＩＦＣを算出し電流制
御器４１に入力する。さらに、ＥＣＵ４４は、目標発電
電流に基づいて、反応ガスの流量に関する要求値とし
て、例えばエアコンプレッサ２１の回転数Ｎを算出し、
反応ガスの圧力に関する要求値として、例えば背圧制御
弁２５の弁開度θを算出する。そして、この回転数Ｎが
出力制御器４２に入力されることで、回転数Ｎに応じた
各相電流がモータ４３の各相へと出力される。また、算
出された弁開度θが背圧制御弁２５に入力されること
で、背圧制御弁２５の弁開度が制御される。

【００３１】そして、反応ガスの流量および圧力に対す
る各要求値と、実際に燃料電池１１に供給される反応ガ
スの流量および圧力との各偏差がゼロとなるように、エ
アコンプレッサ２１の回転数Ｎおよび背圧制御弁２５の
弁開度θのフィードバック制御を行う。

【００３２】このため、ＥＣＵ４４には、アクセル開度
センサ１４から出力される例えば運転者によるアクセル
ペダルの踏み込み操作量等に関するアクセル開度ＡＣの
検出信号と、例えばエアコンプレッサ２１から供給され
る空気の流量（質量流量）を検出するガス量センサ４６
から出力される流量検出値ＱＮの信号と、例えば燃料電
池１１の空気極側に供給される空気の圧力を検出する圧
力センサ４７から出力される圧力検出値ＰＮの信号とが
入力される。なお、ガス量センサ４６は、エアコンプレ
ッサ２１の空気排出口２１ａ近傍に設けられ、圧力セン
サ４７は、燃料電池１１の空気供給口１１ａ近傍に設け
られている。

【００３３】また、この燃料電池自動車１においては、
図２に示すように、燃料電池１１と水素供給系デバイス
群５０は密閉された箱（以下、ＦＣボックスという）５
１に収納されている。ここで、水素供給系デバイス群５
０には、燃料供給制御弁３２，熱交換器３３，エゼクタ
３４，エゼクタバイパス制御弁３５，アノード加湿器３
６，およびこれらを接続する配管類が含まれる。

【００３４】ＦＣボックス５１は、燃料電池１１からの
水素漏れを管理するために設けられたものであり、その
ために、ＦＣボックス５１には、一定流量で換気が行わ
れるように換気入口５２と換気出口５３が設けられると
ともに、換気出口５３の近傍に水素濃度を検出する水素
センサ５４が設置されていて、水素センサ５４から出力
される水素濃度検出値の信号はＥＣＵ４４に入力され
る。なお、水素センサ５４の設置位置は換気出口５３の
近傍に限るものではなく、ＦＣボックス５１内に漏洩し
た水素ガスが流れるであろう位置に設置されていればよ
く、例えば燃料電池１１の近傍に設置することも可能で
ある。また、ＦＣボックス５１は容量が小さい方が水素
漏れ検出精度が高くなるので好ましい。

【００３５】次に、この燃料電池自動車１において、水
素漏れ管理を考慮した燃料電池１１の運転制御原理につ
いて説明する。前述したように、水素ガスを燃料とする
固体高分子電解質膜型の燃料電池１１においては、水素
の透過性が高いことと、および積層構造という燃料電池
１１の構造上から、燃料電池１１に供給された水素が燃
料電池１１の構成部材（例えば、固体高分子電解質膜や
その両側に配置されるセパレータ等）を透過してきてＦ
Ｃボックス５１内に漏れたりする。これは、固体高分子
電解質膜型の燃料電池１１では、欠陥が全くない新品の
燃料電池１１であっても避けられない現象である。

【００３６】したがって、たとえ欠陥のない新品の燃料
電池１１を使用している場合であっても、ＦＣボックス
５１内を換気しないとＦＣボックス５１内の水素濃度が
増大していくこととなる。そのため、この実施の形態で
は、換気入口５２からＦＣボックス５１内に一定流量で
換気を導入し、換気出口５３から排出している。このよ
うに、ＦＣボックス５１を一定流量で換気した場合、燃
料電池１１からの水素漏れ量とＦＣボックス５１内の水
素濃度との間には、図３に示すような一次関数的な関係
が成立する。したがって、水素センサ５４により検出し
たＦＣボックス５１内の水素濃度に基づいて、燃料電池
１１からの水素漏れ量を推定することができる。

【００３７】一方、燃料電池１１は、前述したように、
燃料電池１１の要求発電状態（アクセル開度に応じた要
求発電電流等）に応じて作動圧力を変えて運転してい
る。図４は、燃料電池１１の発電電流と作動圧力との関
係の一例を示したものであり、発電電流が大きいほど作
動圧力が大きくなるように制御している。また、作動圧
力には最大作動圧力Ｐｍａｘが設定されており、作動圧
力はこの最大作動圧力Ｐｍａｘ以下において制御される
こととなる。

【００３８】また、燃料電池１１からの水素の漏れ量は
作動圧力に依存することが経験的にわかっている。図５
は、燃料電池１１の作動圧力と水素漏れ量との関係を実
験的に求めた実験結果の一例を示し、図中実線は、欠陥
が全くない新品の燃料電池１１の平均的な水素漏れ特性
を示している。すなわち、この例の場合では、作動圧力
が大きくなればなるほど、水素漏れ量が一次関数的に増
大していく。また、実験によれば、同一仕様の燃料電池
１１ではあるが、燃料電池１１の固体ばらつきあるいは
経時劣化により前記新品の燃料電池１１の平均的な水素
漏れ特性と一致しない燃料電池１１の場合にも、作動圧
力の増減に対する水素漏れ量の増減の割合（換言すれ
ば、図５における水素漏れ特性線の傾き）は同じである
ことが判明している。

【００３９】なお、燃料電池１１からの水素漏れ量は、
正確に言えば燃料電池１１への水素供給圧力に依存する
のであるが、前述したように、この燃料電池１では、水
素供給圧力は空気供給圧力を基準圧力として制御される
ので、燃料電池１１からの水素漏れ量は燃料電池１１へ
の空気供給圧力に依存すると言うことができる。水素供
給圧力も空気供給圧力も燃料電池１１の作動圧力には変
わりなく、燃料電池１１からの水素漏れ量は作動圧力に
依存する。ただし、この実施の形態の燃料電池１１で
は、発電電流を制御するためのパラメータとして燃料電
池１１への空気供給量と空気供給圧力を用いており、こ
れらパラメータをフィードバック制御するためにガス量
センサ４６で空気供給量を検出し、圧力センサ４７で空
気供給圧力を検出しているので、この実施の形態では水
素漏れ量との関係において空気供給圧力を作動圧力とし
て用いることとした。

【００４０】以上のことから、同一仕様の燃料電池１１
においては、水素センサ５４で検出した現在のＦＣボッ
クス５１内の水素濃度Ｈｎと、圧力センサ４７で検出し
た現在の作動圧力Ｐｎがわかれば、図５に示す水素漏れ
特性に基づいて、この燃料電池１１を最大作動圧力Ｐｍ
ａｘで運転したときの水素漏れ量Ｈｉｎｆを予測するこ
とができ、また、所定の水素漏れ量Ｈｌｉｍとなるとき
の作動圧力Ｐｌｉｍを推定することができる。ここで、
前記所定の水素漏れ量（以下、許容水素漏れ量という）
Ｈｌｉｍを最大水素漏れ量Ｈｍａｘよりも小さい値に設
定し、これに対応する作動圧力（以下、許容作動圧力と
いう）Ｐｌｉｍ以下で燃料電池１１を運転するように制
御すれば、燃料電池１１からの水素漏れ量を許容水素漏
れ量Ｈｌｉｍ以下に抑制しながら、燃料電池１１を運転
することが可能になる。

【００４１】なお、水素漏れ量は水素センサ５４で検出
される水素濃度に基づいて推定することから、図５に示
す水素漏れ特性図における縦軸の水素漏れ量は、これに
対応する水素濃度に置き換えることが可能である。そこ
で、以下の説明の都合上、図５における縦軸に水素濃度
を併記した。

【００４２】また、発電電流と作動圧力は図４に示すよ
うな関係があるので、許容作動圧力Ｐｌｉｍに対応して
発電電流（以下、許容発電電流という）Ｉｌｉｍを決定
することができる。したがって、作動圧力を許容作動圧
力Ｐｌｉｍ以下に制限して燃料電池１を運転制御する代
わりに、燃料電池１１からの取り出し電流を許容発電電
流Ｉｌｉｍ以下に制限して燃料電池１１を運転制御して
もよい。

【００４３】次に、図６のフローチャートを参照して、
この実施の形態における燃料電池の運転方法を説明す
る。まず、圧力センサ４７で検出した現在の実作動圧力
Ｐｎを読み込み（ステップＳ１０１）、水素センサ５４
で検出したＦＣボックス５１内の現在の実水素濃度Ｈｎ
を読み込む（ステップＳ１０２）。

【００４４】次に、この燃料電池１１の水素漏れ特性
（図５参照）に基づいて、最大作動圧力Ｐｍａｘで運転
したときに予想されるＦＣボックス５１内の水素濃度
（予想水素濃度）Ｈｉｎｆを、マップ参照あるいは計算
により算出する（ステップＳ１０３）。

【００４５】次に、ステップＳ１０２で読み込んだ現在
の実水素濃度Ｈｎが最大水素濃度Ｈｍａｘ（例えば２
％）よりも高いか否か判定する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｈｎ
＞Ｈｍａｘ）である場合は、ワーニングランプを点灯し
（ステップＳ１０５）、システム停止モードを実行して
（ステップＳ１０６）、本ルーチンの実行を一旦終了す
る。すなわち、この場合は、ＦＣボックス５１内の現在
の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素漏れ量）が
既に最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘを越えて
いるので、燃料電池１１を直ちに緊急停止する。

【００４６】一方、ステップＳ１０４における判定結果
が「ＮＯ」（Ｈｎ≦Ｈｍａｘ）である場合は、直ちに緊
急停止する必要はないので、ステップＳ１０７に進み、
ステップＳ１０３で算出した予想水素濃度Ｈｉｎｆが最
大水素濃度Ｈｍａｘよりも高いか否か判定する。

【００４７】ステップＳ１０７における判定結果が「Ｎ
Ｏ」（Ｈｉｎｆ≦Ｈｍａｘ）である場合は、最大作動圧
力Ｐｍａｘで運転しても水素濃度は最大水素濃度Ｈｍａ
ｘ以下であると推定できるのでステップＳ１０８に進
み、ステップＳ１０２で読み込んだ実水素濃度Ｈｎが水
素濃度安全域の閾値である下限水素濃度Ｈｌｏｗ（例え
ば０．５％）よりも高いか否か判定する。

【００４８】ステップＳ１０８における判定結果が「Ｎ
Ｏ」（Ｈｎ≦Ｈｌｏｗ）である場合は、ＦＣボックス５
１内の現在の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素
漏れ量）が充分に低く安全域にあるので、ステップＳ１
０９に進んで、後述するステップＳ１１３で算出した出
力制限値（許容発電電流Ｉｌｉｍ）を初期化し、本ルー
チンの実行を一旦終了する。

【００４９】ステップＳ１０８における判定結果が「Ｙ
ＥＳ」（Ｈｎ＞Ｈｌｏｗ）である場合は、ステップＳ１
１０に進んでワーニングランプを点灯し、本ルーチンの
実行を一旦終了する。これは、ＦＣボックス５１内の現
在の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素漏れ量）
は最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘ以下ではあ
るが下限水素濃度（下限水素漏れ量）Ｈｌｏｗを越えて
いるので、警報を発して運転者に注意を喚起するのであ
る。

【００５０】一方、ステップＳ１０７における判定結果
が「ＹＥＳ」（Ｈｉｎｆ＞Ｈｍａｘ）である場合は、現
在のＦＣボックス５１内の水素濃度（燃料電池１１から
の現在の水素漏れ量）は最大水素濃度（最大水素漏れ
量）Ｈｍａｘ以下であるものの、もし最大作動圧力Ｐｍ
ａｘで運転するとＦＣボックス５１内の水素濃度（燃料
電池１１からの水素漏れ量）が最大水素濃度（最大水素
漏れ量）Ｈｍａｘを越えることが予想されるので、最大
作動圧力Ｐｍａｘでの運転は回避すべきである。そこ
で、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」で
ある場合は、ステップＳ１１１においてワーニングラン
プを点灯した後、ステップＳ１１２に進んで、許容水素
濃度（許容水素漏れ量）Ｈｌｉｍ（例えば１．９％）に
対応する許容作動圧力Ｐｌｉｍを、マップ参照あるいは
計算により算出する。なお、この実施の形態では、許容
水素濃度（許容水素漏れ量）Ｈｌｉｍは安全を見込んで
最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘよりも若干低
く設定するが、同数値に設定することも可能である。

【００５１】次に、許容作動圧力Ｐｌｉｍに対応する許
容発電電流Ｉｌｉｍをマップ参照あるいは計算により算
出し（ステップＳ１１３）、この許容発電電流Ｉｌｉｍ
を出力制限値として出力制限運転モードを実行し（ステ
ップＳ１１４）、本ルーチンの実行を一旦終了する。出
力制限運転モードでは、燃料電池１１からの取り出し電
流を許容発電電流Ｉｌｉｍ以下に制限して燃料電池１１
の運転制御を行う。

【００５２】図７は、この燃料電池自動車１における燃
料電池１１の運転制御方法を示すブロック図である。燃
料電池自動車１では、アクセルペダルＡＰの踏み込み操
作量がアクセル開度としてアクセル開度センサ１４で検
出され、検出されたアクセル開度に基づいてＥＣＵ４４
は走行用モータ１３に要求されるモータ出力を算出す
る。また、ＥＣＵ４４は、燃料電池１１を運転するため
に必要な補機類（例えば、エアコンプレッサ２１等）の
電気負荷を算出する。

【００５３】次に、走行用モータ１３に要求されるモー
タ出力と補機類の電気負荷に基づいて、電気制御器４１
により燃料電池１１から取り出す目標発電電流ＩＦＣを
算出し、この目標発電電流ＩＦＣに基づいて目標ガス量
（目標空気供給量）と目標圧力（目標空気供給圧力）を
算出する。

【００５４】そして、前記目標ガス量に基づいてエアコ
ンプレッサ２１の回転数Ｎを算出し、該回転数となるよ
うにエアコンプレッサ２１のモータ４３を制御するとと
もに、ガス量センサ４６で検出される実際のガス量（実
空気供給量）と前記目標ガス量（目標空気供給量）との
偏差がゼロになるように、エアコンプレッサ２１の回転
数のフィードバック制御を行う。

【００５５】また、これと同時に、前記目標圧力に基づ
いて背圧制御弁２５の弁開度θを算出し、該弁開度θに
なるように背圧制御弁２５の開度制御を行うとともに、
圧力センサ４７で検出される実際の空気供給圧力（実空
気供給圧力）と前記目標圧力（目標空気供給圧力）との
偏差がゼロになるように、背圧制御弁２５の弁開度θの
フィードバック制御を行う。

【００５６】また、圧力センサ４７で検出された実空気
供給圧力（すなわち実作動圧力）と水素センサ５４で検
出されたＦＣボックス５１内の実水素濃度に基づいて、
必要に応じて作動圧力制限値（許容作動圧力）を計算
し、前記目標圧力を作動圧力制限値以下に制限するとと
もに警報を発する。あるいは、作動圧力を制限する代わ
りに、作動圧力制限値に対応する発電電流制限値（許容
発電電流）を計算して、前記目標発電電流を発電電流制
限値以下に制限する（図中破線矢印）。このように目標
発電電流を制限するようにすると、現在の発電電流から
現在の作動圧力を推定可能であることから、圧力センサ
４７が故障した場合などにも燃料電池１１の前記制限運
転が可能となり、また、圧力センサ４７を省略すること
も可能となる。

【００５７】このように燃料電池１１の運転制御を実行
することにより、燃料電池１１からの水素漏れ量がある
程度増大してくるとワーニングランプの点灯により運転
者に注意を喚起することができる。そして、燃料電池１
１からの水素漏れ量がさらに増大してきて、現運転状態
では問題ないが現運転状態よりも作動圧力を増大させて
運転すると水素漏れ量が最大水素漏れ量を越える虞があ
るときには、燃料電池１１の出力を制限して運転するこ
とにより、水素漏れ量が最大水素漏れ量を越えないよう
に確実に制限することができる。これにより、燃料電池
１１からの水素漏れ状態を予見しながら燃料電池自動車
１を運転することができることとなり、燃料電池１１が
突然に緊急停止する確率を従来よりも格段に低くするこ
とができる。そして、燃料電池１１の出力制限運転を行
いながら燃料電池自動車１を修理工場等の所定場所まで
移動させることが可能になる。

【００５８】さらに、このように燃料電池１１の出力制
限運転を行っても燃料電池１１からの水素漏れ量が最大
水素漏れ量を越えてしまうときには、燃料電池１１を緊
急停止して安全を確保することができる。尚、前述した
実施の形態では、燃料電池１１に供給される空気の圧力
を制御対象である作動圧力としたが、制御対象である作
動圧力を燃料電池１１に供給される水素ガスの圧力とす
ることも可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明するように、請求項１に記載し
た発明によれば、水素センサの検出値に基づいて、前記
燃料電池からの水素漏れ量が所定値を越えないように前
記作動圧力を制限するので、水素漏れ量を所定値以下に
抑制しながら燃料電池の運転を維持することができると
いう優れた効果が奏される。

【００６０】請求項２に記載した発明によれば、前記効
果に加えて、現在の作動圧力での水素漏れ量と前記燃料
電池の特性に基づいて、水素漏れ量が前記所定値を越え
ない作動圧力を予測しているので、水素漏れ量が所定値
を越えたことを検知してから作動圧力を制限するのでは
なく、予め燃料電池の発電電流が小さく、作動圧力が低
い状態で運転している時から制限作動圧力を予測して制
限するため、確実に水素漏れ量を所定値以下に制限する
ことができるという優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施の形態における燃料電池自
動車の概略構成図である。

【図２】 前記実施の形態におけるＦＣボックスの斜視
図である。

【図３】 水素漏れ量と水素濃度との関係を示す図であ
る。

【図４】 燃料電池の作動圧力と発電電流との関係を示
す図である。

【図５】 燃料電池からの水素漏れ量（水素濃度）と燃
料電池の作動圧力との関係を示す図である。

【図６】 燃料電池の運転制御フローチャートの一例で
ある。

【図７】 燃料電池自動車の運転制御ブロック図の一例
である。

【符号の説明】

１１ 燃料電池 ５４ 水素センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 伸高 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BC11 KK31 MM01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして
   発電する燃料電池を要求発電状態に応じた作動圧力にて
   運転する燃料電池の運転方法において、 前記燃料電池の周辺に水素濃度を検出する水素センサを
   設け、該水素センサの検出値に基づいて、前記燃料電池
   からの水素漏れ量が所定値を越えないように前記作動圧
   力を制限することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 【請求項２】 現在の作動圧力での水素漏れ量と前記燃
   料電池の特性に基づいて、水素漏れ量が前記所定値を越
   えない作動圧力を予測し、該作動圧力以下に作動圧力を
   制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の
   運転方法。