JP2006302577A

JP2006302577A - 燃料電池制御装置及び燃料電池制御方法

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Publication number: JP2006302577A
Application number: JP2005119913A
Authority: JP
Inventors: Junji Horai; 淳史宝来
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】燃料電池システムを制御する燃料電池制御装置に係り、特に燃料ガスのカソードへのクロスリークを検出してクロスリークした燃料ガスを希釈することのできる燃料電池制御装置及びその方法を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池制御装置３は、燃料電池２のアノードに水素ガスを供給し、カソードに空気を供給して発電する燃料電池システム１の制御を行い、カソードから排出されるカソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、切替弁１０を切り替えて燃料電池２に供給される空気をバイパス経路９側に流すことにより、加湿装置７の加湿性能を低下させてカソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させ、カソード排気ガスの水素濃度を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムを制御する燃料電池制御装置に係り、特に燃料ガスのカソードへのクロスリークを検出してクロスリークした燃料ガスを希釈する燃料電池制御装置及びその方法に関する。

アノードガス（燃料ガス）として水素を供給し、カソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給して発電する燃料電池において、正常な状態であってもアノード極からカソード極へ水素ガスがクロスリークすることが知られている。カソード極へクロスリークした水素ガスは白金触媒上で空気と化学反応することによって消費され、正常な状態ではカソードオフガス中に水素が検知されることはない。しかし、燃料電池内部での破損等によって正常な状態よりも多くの水素ガスがクロスリークした場合には、消費しきれずにカソードオフガス中に水素が含まれることがある。この場合、カソードオフガス中の水素濃度によっては、燃料電池システムの運転を停止しなくてはならない。

しかしながら、燃料電池を車両などの移動手段の発電機として使用する場合には、運転中に燃料電池内部での破損等が発生した場合でも、水素の安全を確保した上で限界まで運転できることが望ましい。そのため、燃料電池システムとしては何らかの対応を実施し、水素排出濃度を許容濃度範囲内に収めた上で発電しなくてはならない。

そこで、従来では燃料電池スタックケース内に水素が漏洩すると、換気のための空気をケース内に流して希釈していた。このような燃料電池の従来例として、例えば特開２００４−１５８２００号公報（特許文献１）が開示されている。

また、破損モードによる内部リークでは、カソードのガス圧力をアノードのガス圧力よりも高く保つことによって、水素がカソードへリークする量を抑制する方法があった。
特開２００４−１５８２００号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、破損モードにおいてカソードにクロスリークしてきた水素を空気流量の増加によって希釈するので、空気流量を増加させるためにコンプレッサの回転数を上昇させていた。ところが、燃料電池が破損した状態では出力制限がかかる可能性もあり、無駄な電力を消費することは困難であるにも関わらず、コンプレッサの消費電力を増加させてしまうという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池制御装置は、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御を行う燃料電池制御装置において、前記カソードから排出されるカソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池制御方法は、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御を行う燃料電池制御方法において、前記カソードから排出されるカソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値より大きいか否かを判断するステップと、前記燃料ガスの濃度が前記所定値より大きくなると、前記カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させることによって前記燃料ガスの濃度を低下させる燃料ガス濃度低下ステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池制御装置及び燃料電池制御方法では、カソード排気ガス中に含まれる燃料ガスの濃度が所定値以上になると、カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させるので、燃料電池の消費電力を増加させることなく、カソード排気ガス中の燃料ガスの濃度を低減することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池２と、燃料ガスのクロスリークを検出し、燃料電池システム１を制御してカソード排気ガス中の燃料ガス濃度を抑制する燃料電池制御装置３と、燃料電池２に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給経路４と、空気供給経路４を通して燃料電池２へ空気を圧送するコンプレッサ５と、燃料電池２からのカソード排気ガスを排出するための排気ガス経路６と、カソード排気ガスの水蒸気を回収して燃料電池２に供給される空気を加湿する加湿装置（加湿手段）７と、カソード排気ガスの圧力を調節する圧力調節装置８と、空気供給経路４から分岐して加湿装置７をバイパスするバイパス経路９と、バイパス経路９と空気供給経路４とを切り替える切替弁１０と、排気ガス経路６のカソード排気ガス中に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出装置１１と、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧検出装置１２とを備えている。

ここで、燃料電池２は、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて（１）式および（２）式に示す電気化学反応によって発電している。

アノード（水素極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（２）
燃料電池制御装置３は、水素濃度検出装置１１や電圧検出装置１２の検出信号に基づいて、コンプレッサ５や切替弁１０、圧力調節装置８などを制御して燃料電池システム１を駆動している。そして、水素濃度検出装置１１によって検出された水素濃度により、カソード排気ガス中の水素濃度が所定値以上になったと判断したときには、水素濃度を低減するためにカソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させる処理を実施する。

コンプレッサ５は、燃料電池制御装置３によって回転数が制御され、酸化剤ガスである空気を外部から取り入れて加圧し、空気供給経路４を介して燃料電池２へ送出している。

加湿装置７は、空気供給経路４と排気ガス経路６に設置された水分透過型外部加湿装置であって、排気ガス経路６を流れるカソード排気ガスの水蒸気を回収して、空気供給経路４を通って燃料電池２に供給される空気を加湿している。

圧力調節装置８は、排気ガス経路６の加湿装置７の下流に設置され、カソード排気ガスの圧力を調節している。

水素濃度検出装置１１は、カソード排気ガス中に含まれている水素濃度を検出して燃料電池制御装置３に検出信号を出力している。

電圧検出装置１２は、燃料電池２から出力される出力電圧を検出して燃料電池制御装置３に検出信号を出力している。

このように構成された燃料電池システム１において、通常の運転時には水素タンクから燃料電池２のアノードに水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気がコンプレッサ５で加圧されて供給されている。そして、燃料電池２の反応で消費されずに残った空気やカソードの反応によって生成された水蒸気は排気ガス経路６を通じて排気されている。

このとき、排気ガス経路６を流れるカソード排気ガス中の水素濃度が水素濃度検出装置１１によって常に検出されており、何らかの原因で所定値を超える濃度の水素ガスがカソードにクロスリークした場合、燃料電池制御装置３は水素濃度低減処理を実施する。

次に、本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず運転開始信号によって燃料電池システム１の運転が開始されると（Ｓ２０１）、水素濃度検出装置１１によってカソード排気ガス中の水素濃度Ａを検出する（Ｓ２０２）。そして、検出されたカソード排気ガス中の水素濃度Ａが所定値αより大きいか否かを判別し（Ｓ２０３）、この判別によって燃料電池２の内部で発電性能に悪影響を及ぼす高濃度の水素クロスリークが発生しているか否かを判断する。なお、所定値αは、水素安全上許容される水素濃度の上限値に対してある程度の余裕を含んだ値に設定されている。

この判別の結果、水素濃度Ａが所定値α以下のときには、燃料電池２の内部で発電性能に悪影響を及ぼす高濃度の水素クロスリークが発生していないと判断し、ステップＳ２０２に戻る。一方、水素濃度Ａが所定値αより大きいときには、燃料電池２の内部で発電性能に悪影響を及ぼす高濃度の水素クロスリークが発生していると判断し、カソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させて水素濃度を低下させる水素濃度低下処理を実施する（Ｓ２０４）。

この水素濃度低下処理では、加湿装置７の加湿性能を低下させることによってカソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させ、これによってカソード排気ガス中の水素濃度を低下させている。具体的には、水素濃度検出装置１１の出力に応じて切替弁１０の開閉をフィードバック制御し、カソード排気ガス中の水素濃度Ａが所定値αよりも小さな値である所定値βとなるように管理する。ここで実施されるフィードバック制御では、水素濃度検出装置１１で検出された水素濃度Ａが所定値βよりも大きい場合には切替弁１０をバイパス経路９側に切り替え、逆に水素濃度Ａが所定値βよりも小さい場合には切替弁１０をメイン経路である空気供給経路４側に切り替えるように制御する。

こうして水素濃度Ａが所定値βになると、次に電圧検出装置１２によって燃料電池２の出力電圧Ｂを検出し（Ｓ２０５）、検出した出力電圧Ｂが所定値γ以上であるか否かを判別することにより、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが起こっているか否かを判断する（Ｓ２０６）。なお、所定値γは燃料電池２の発電時における各負荷及び燃料電池２の温度をマッピングして予め設定されている。又、電流-電圧特性の学習制御などを実施すれば、燃料電池の劣化が起こった場合でも制御性を確保できる。

そして、燃料電池２の出力電圧Ｂが所定値γ以下である場合には、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが発生していると判断し、燃料電池システム１を停止して（Ｓ２０７）本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理を終了する。

一方、燃料電池２の出力電圧Ｂが所定値γより大きい場合には、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが起こっていないと判断し、水素濃度検出装置１１によってカソード排気ガス中の水素濃度Ｃを検出する（Ｓ２０８）。

そして、検出したカソード排気ガス中の水素濃度Ｃが所定値δより大きいか否かを判別することによって、カソード排気ガス中の水素ガスを希釈できているか否かを判断する（Ｓ２０９）。なお、この所定値δは所定値αよりも小さく、βよりも大きい値に設定されている。

そして、水素濃度Ｃが所定値δ以下の場合には、カソード排気ガス中の水素ガスを希釈できていると判断し、ステップＳ２０１に戻って上述した処理を繰り返し行い、水素濃度Ｃが所定値δよりも大きい場合には、カソード排気ガス中の水素ガスを希釈できていないとして判断し、燃料電池システム１を停止して（Ｓ２０７）本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させるので、カソードへの水素ガスのクロスリークが増加した場合に燃料電池２の消費電力を増加させることなく、カソード排気ガス中の水素ガス濃度を低減することができる（請求項１、８の効果）。

また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、カソード排気ガスの水蒸気を回収してカソードに供給される空気を加湿する加湿装置７を備え、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、加湿装置７の加湿性能を低下させることによってカソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させるので、カソードへの水素ガスのクロスリークが増加した場合に燃料電池２の消費電力を増加させることなく、カソード排気ガス中の水素ガス濃度を低減することができる（請求項２、９の効果）。

さらに、本実施形態の燃料電池制御装置３では、空気供給経路４に加湿装置７をバイパスさせるバイパス経路９を備え、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、バイパス経路９に空気を流すことによって加湿装置７の加湿性能を低下させるので、燃料電池２へ供給される空気の流量を大きく変えずに加湿装置７に供給される被加湿ガスの流量を制御して被加湿ガスの加湿部接触時間を制御することができ、これによって空気を増量させるなどの余分なエネルギーを消費することなく、カソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させて水素濃度を低減することができる（請求項３、１０の効果）。

また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２の出力電圧を検出し、この出力電圧が所定値以下のときには燃料電池システム１を停止させるので、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが生じていることを検知して燃料電池システム１を停止させることができる（請求項１５の効果）。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。図３は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム３１は、排気ガス経路６から分岐して加湿装置７をバイパスする排気バイパス経路３２と、バイパス経路３２と排気ガス経路６とを切り替える排気切替弁３３とを設置し、空気供給経路４からバイパス経路９と切替弁１０を取り除いたことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので同一の番号を付して詳しい説明は省略する。

このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、排気ガス経路６に加湿装置７をバイパスさせる排気バイパス経路３２を備え、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、排気バイパス経路３２に空気を流すことによって加湿装置７の加湿性能を低下させるので、燃料電池２へ供給される空気の流量を大きく変えずに加湿装置７に供給される被除湿ガスの流量を制御して被除湿ガスの除湿部接触時間を制御することができ、これによって空気を増量させるなどの余分なエネルギーを消費することなく、カソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させて水素濃度を低減することができる（請求項４、１１の効果）。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図面に基づいて説明する。図４は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム４１は、空気供給経路４にバイパス経路９と切替弁１０を設置するとともに、排気ガス経路６に排気バイパス経路３２と排気切替弁３３とを設置しており、その他の構成については第１及び第２の実施形態と同様なので同一の番号を付して詳しい説明は省略する。

このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、空気供給経路４に加湿装置７をバイパスさせるバイパス経路９を備えるとともに排気ガス経路６に加湿装置７をバイパスさせる排気バイパス経路３２を備え、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、バイパス経路９及び排気バイパス経路３２に空気及びカソード排気ガスを流すことによって加湿装置７の加湿性能を低下させる。これにより、燃料電池２へ供給される空気の流量を大きく変えずに加湿装置７に供給される被加湿ガスの流量を制御して被加湿ガスの加湿部接触時間を制御することができ、さらに被除湿ガスの流量を制御して被除湿ガスの除湿部接触時間を制御することもでき、これによって空気を増量させるなどの余分なエネルギーを消費することなく、カソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させて水素濃度をより低減することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を図面に基づいて説明する。図５は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム５１は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池２と、燃料ガスのクロスリークを検出し、燃料電池システム５１を制御してカソード排気ガス中の燃料ガス濃度を抑制する燃料電池制御装置３と、燃料電池２に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給経路４と、空気供給経路４を通して燃料電池２へ空気を圧送するコンプレッサ５と、燃料電池２からのカソード排気ガスを排出するための排気ガス経路６と、カソード排気ガスの水蒸気を回収して供給される空気を加湿する加湿装置（加湿手段）７と、カソード排気ガスの圧力を調節する圧力調節装置８と、排気ガス経路６のカソード排気ガス中に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出装置１１と、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧検出装置１２と、コンプレッサ５から吐出される空気を冷却する第１の熱交換器１３と、空気供給経路４から分岐して第１の熱交換器１３をバイパスする第１のバイパス経路１４と、第１のバイパス経路１４と空気供給経路４とを切り替える第１の切替弁１５と、カソード排気ガスを冷却する第２の熱交換器１６と、加湿装置７の下流に設置された第３の熱交換器１７と、第１〜第３の熱交換１３、１６、１７に冷却水を循環させる冷却経路１８と、冷却経路１８に冷却水を循環させる循環ポンプ１９と、冷却経路１８を循環する冷却水の放熱を行なう冷却器２０と、冷却経路１８から分岐して第２の熱交換器１６へ冷却水を循環させる第２のバイパス経路２１と、第２のバイパス経路２１と冷却経路１８とを切り替える第２の切替弁２２とを備えている。

ここで、上述した構成のうち第１の実施形態と同一の構成については同一の番号を付して詳しい説明は省略し、本実施形態で追加された冷却循環系の構成について説明する。

第１の熱交換器１３は、コンプレッサ５と加湿装置７との間に設置され、コンプレッサ５から吐出される空気を冷却している。そして、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、第１の切替弁１５が第１のバイパス経路１４側に切り替えられて加湿装置７に供給される空気の温度が上昇する。

第２の熱交換器１６は、燃料電池２と加湿装置７との間に設置され、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、第２の切替弁２２が第２のバイパス経路２１側に切り替えられてカソード排気ガスが冷却され、加湿装置７に供給される空気の温度を低下させている。

第３の熱交換器１７は、圧力調節装置８の下流に設置され、排出されるカソード排気ガスを冷却している。

このように構成された本実施形態の冷却循環系では、循環ポンプ１９から圧送された冷却水は、通常の運転時には第２の熱交換器１６へは流れずに直接燃料電池２へ循環する。燃料電池２で熱交換した冷却水は、次に第１の熱交換器１３、第３の熱交換器１７へと流れた後に、冷却器２０で放熱されて再び循環ポンプ１９へ戻ってくる。そして、排気ガス経路６を流れるカソード排気ガス中の水素濃度が所定値を超えると、第２の切替弁２２が第２のバイパス経路２１側に切り替えられて本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理が実施される。

ここで、本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。図６に示すように、まず運転開始信号によって燃料電池システム５１の運転が開始されると（Ｓ６０１）、水素濃度検出装置１１によってカソード排気ガス中の水素濃度Ａが検出される（Ｓ６０２）。そして、検出されたカソード排気ガス中の水素濃度Ａが所定値α２より大きいか否かが判別され（Ｓ６０３）、この判別によって燃料電池２の内部で発電性能に悪影響を及ぼす高濃度の水素クロスリークが発生しているか否かを判断する。なお、所定値α２は、水素安全上許容される水素濃度の上限値に対してある程度の余裕を含んだ値に設定されている。

この判別の結果、水素濃度Ａが所定値α２以下のときには、燃料電池２の内部で発電性能に悪影響を及ぼす高濃度の水素クロスリークが発生していないと判断し、ステップＳ６０２に戻る。一方、水素濃度Ａが所定値α２より大きいときには、燃料電池２の内部で発電性能に悪影響を及ぼす高濃度の水素クロスリークが発生していると判断し、カソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させて水素濃度を低下させる水素濃度低下処理を実施する（Ｓ６０４）。

この水素濃度低下処理では、加湿装置７の加湿性能を低下させることによってカソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させ、これによってカソード排気ガスの水素濃度を低下させている。具体的には、水素濃度検出装置１１の出力に応じて第１の切替弁１５及び第２の切替弁２２の開閉をフィードバック制御し、カソード排気ガス中の水素濃度Ａが所定値α２よりも小さな値である所定値β２となるように管理する。ここで実施されるフィードバック制御では、水素濃度検出装置１１で検出された水素濃度Ａが所定値β２よりも大きい場合には第１の切替弁１５を第１のバイパス経路１４側に切り替えるとともに第２の切替弁２２を第２のバイパス経路２１側に切り替えるように制御している。これにより、加湿装置７に供給される空気の温度は上昇し、カソード排気ガスの温度は低下するので、燃料電池２へ供給される空気の水蒸気分圧と燃料電池２から排気されるカソード排気ガスの水蒸気分圧との差が小さくなり、加湿装置７でカソード排気ガスから空気へ透過する水蒸気量を低減することができる。したがって、加湿装置７の加湿性能を低下させてカソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させ、水素濃度を低下させることができる。

また、逆に水素濃度Ａが所定値β２よりも小さい場合には第１の切替弁１５を空気供給経路４側に切り替えるとともに第２の切替弁２２を冷却経路１８側に切り替えるように制御する。

こうして水素濃度Ａが所定値β２になると、次に電圧検出装置１２によって燃料電池２の出力電圧Ｂを検出し（Ｓ６０５）、検出した出力電圧Ｂが所定値γ２以上であるか否かを判別することにより、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが起こっているか否かを判断する（Ｓ６０６）。なお、所定値γ２は燃料電池２の発電時における各負荷及び燃料電池２の温度をマッピングして予め設定されている。実施例1でも記述したが、電流-電圧特性の学習制御などを実施すれば、燃料電池の劣化が起こった場合でも制御性を確保できる。

そして、燃料電池２の出力電圧Ｂが所定値γ２以下である場合には、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが発生していると判断し、燃料電池システム５１を停止して（Ｓ６０７）本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理を終了する。

一方、燃料電池２の出力電圧Ｂが所定値γ２より大きい場合には、燃料電池２のカソード経路内で高分子膜のドライアウトが起こっていないと判断し、水素濃度検出装置１１によってカソード排気ガス中の水素濃度Ｃを検出する（Ｓ６０８）。

そして、検出したカソード排気ガス中の水素濃度Ｃが所定値δ２より大きいか否かを判別することによって、カソード排気ガス中の水素を希釈できているか否かを判断する（Ｓ６０９）。なお、この所定値δ２は所定値α２よりも小さく、β２よりも大きい値に設定されている。

そして、水素濃度Ｃが所定値δ２以下の場合には、カソード排気ガス中の水素ガスを希釈できていると判断し、ステップＳ６０１に戻って上述した処理を繰り返し行い、水素濃度Ｃが所定値δ２よりも大きい場合には、カソード排気ガス中の水素ガスを希釈できていないとして判断し、燃料電池システム５１を停止して（Ｓ６０７）本実施形態の燃料電池制御装置３による水素濃度低減処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、カソードに供給される空気の温度を上昇させるとともにカソード排気ガスの温度を低下させるので、燃料電池２へ供給される空気の水蒸気分圧と燃料電池２から排気されるカソード排気ガスの水蒸気分圧との差が小さくなり、加湿装置７でカソード排気ガスから空気へ透過する水蒸気量を低減することができる。これにより、加湿装置７の加湿性能を低下させることができるので、カソード排気ガス中の水蒸気濃度を上昇させて水素濃度を低下させることができる（請求項５、１２の効果）。

また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、カソードに供給される空気が第１の熱交換器１３をバイパスし、カソード排気ガスが第２の熱交換器１６によって冷却されるように制御するので、燃料電池２へ供給される空気の温度を上昇させ、燃料電池２から排気されるカソード排気ガスの温度を低下させるように制御することができ、これによりカソード排気ガスの水蒸気濃度を増加させてカソードから排出される水素ガスの濃度を低減することができる（請求項６、１３の効果）。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態を図面に基づいて説明する。図７は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図７に示すように、本実施形態の燃料電池システム７１は、空気供給経路４からバイパス経路９と切替弁１０を取り除いて第２の圧力調節装置（圧力調節手段）７２を設置したことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので同一の番号を付して詳しい説明は省略する。

ここで、第２の圧力調節装置７２は、加湿装置７と燃料電池２の間の空気供給経路４に設置され、燃料電池２のカソードに供給される空気の圧力を調節している。そして、カソード排気ガス中に含まれる燃料ガスの濃度が所定値以上になると、カソードに供給される空気の圧力をカソード排気ガスの圧力よりも高くなるように調節している。

このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、カソードに供給される空気の圧力を調節する第２の圧力調節装置７２を備え、カソード排気ガス中に含まれる水素ガスの濃度が所定値以上になると、カソードに供給される空気の圧力をカソード排気ガスの圧力よりも高くするので、燃料電池２へ供給される空気の水蒸気分圧とカソード排気ガスの水蒸気分圧との差を小さくでき、これによってカソード排気ガスから空気へ透過する水蒸気量を低減してカソード排気ガスの水蒸気濃度を増加させ、カソードから排出される水素濃度を低減することができる（請求項７、１４の効果）。

上記のように、本発明は、第１乃至第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

燃料電池システムを制御する燃料電池制御装置に係り、特に燃料ガスのカソードへのクロスリークを検出してクロスリークした燃料ガスを希釈するための技術として極めて有用である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池制御装置による水素濃度低減処理を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池制御装置による水素濃度低減処理を示すフローチャートである。本発明の第５の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、３１、４１、５１、７１燃料電池システム
２燃料電池
３燃料電池制御装置
４空気供給経路
５コンプレッサ
６排気ガス経路
７加湿装置（加湿手段）
８圧力調節装置
９バイパス経路
１０切替弁
１１水素濃度検出装置
１２電圧検出装置
１３第１の熱交換器
１４第１のバイパス経路
１５第１の切替弁
１６第２の熱交換器
１７第３の熱交換器
１８冷却経路
１９循環ポンプ
２０冷却器
２１第２のバイパス経路
２２第２の切替弁
３２排気バイパス経路
３３排気切替弁
７２第２の圧力調節装置（圧力調節手段）

Claims

燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御を行う燃料電池制御装置において、
前記カソードから排出されるカソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させることを特徴とする燃料電池制御装置。
前記燃料電池システムは、前記カソード排気ガスの水蒸気を回収して前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えており、前記カソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記加湿手段の加湿性能を低下させることによって前記カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
前記燃料電池システムは、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路に前記加湿手段をバイパスさせるバイパス経路を備えており、前記カソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記バイパス経路に前記酸化剤ガスを流すことによって前記加湿手段の加湿性能を低下させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池制御装置。
前記燃料電池システムは、前記カソード排気ガスを排出する排気ガス経路に前記加湿手段をバイパスさせる排気バイパス経路を備えており、前記カソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記排気バイパス経路に前記カソード排気ガスを流すことによって前記加湿手段の加湿性能を低下させることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の燃料電池制御装置。
前記カソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記カソードに供給される酸化剤ガスの温度を上昇させるとともに、前記カソード排気ガスの温度を低下させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池制御装置。
前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給経路に第１の熱交換器を備え、前記排気ガス経路に第２の熱交換器を備えており、前記カソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記カソードに供給される酸化剤ガスは前記第１の熱交換器をバイパスし、前記カソード排気ガスは前記第２の熱交換器によって冷却されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池制御装置。
前記燃料電池システムは、前記カソードに供給される酸化剤ガスの圧力を調節する圧力調節手段を備え、前記カソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値以上になると、前記カソードに供給される酸化剤ガスの圧力を前記カソード排気ガスの圧力よりも高くすることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池制御装置。
燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムの制御を行う燃料電池制御方法において、
前記カソードから排出されるカソード排気ガス中に含まれる前記燃料ガスの濃度が所定値より大きいか否かを判断するステップと、
前記燃料ガスの濃度が前記所定値より大きくなると、前記カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させることによって前記燃料ガスの濃度を低下させる燃料ガス濃度低下ステップと
を含むことを特徴とする燃料電池制御方法。
前記燃料電池システムは、前記カソード排気ガスの水蒸気を回収して前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿手段を備えており、
前記燃料ガス濃度低下ステップでは、前記加湿手段の加湿性能を低下させることによって前記カソード排気ガスの水蒸気濃度を上昇させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池制御方法。
前記燃料電池システムは、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路に前記加湿手段をバイパスさせるバイパス経路を備えており、
前記燃料ガス濃度低下ステップでは、前記バイパス経路に前記酸化剤ガスを流すことによって前記加湿手段の加湿性能を低下させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池制御方法。
前記燃料電池システムは、前記カソード排気ガスを排出する排気ガス経路に前記加湿手段をバイパスさせる排気バイパス経路を備えており、
前記燃料ガス濃度低下ステップでは、前記排気バイパス経路に前記カソード排気ガスを流すことによって前記加湿手段の加湿性能を低下させることを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の燃料電池制御方法。
前記燃料ガス濃度低下ステップでは、前記カソードに供給される酸化剤ガスの温度を上昇させるとともに、前記カソード排気ガスの温度を低下させることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池制御方法。
前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給経路に第１の熱交換器を備え、前記排気ガス経路に第２の熱交換器を備えており、
前記燃料ガス濃度低下ステップでは、前記カソードに供給される酸化剤ガスは前記第１の熱交換器をバイパスし、前記カソード排気ガスは前記第２の熱交換器によって冷却されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池制御方法。
前記燃料電池システムは、前記カソードに供給される酸化剤ガスの圧力を調節する圧力調節手段を備え、
前記燃料ガス濃度低下ステップでは、前記圧力調節手段によって前記カソードに供給される酸化剤ガスの圧力を前記カソード排気ガスの圧力よりも高くすることを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池制御方法。
前記燃料電池の出力電圧を検出し、前記出力電圧が所定値以下のときには前記燃料電池システムを停止させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池制御方法。