JP2009026632A

JP2009026632A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009026632A
Application number: JP2007189319A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Naganuma; 良明長沼; Yasuhiro Osada; 康弘長田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: JP5229528B2

Abstract

【課題】バイパス弁に異常などが生じることにより、多量の反応ガスがリークした場合であっても、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御装置１６０は、バイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じていることを検知すると、フェールセーフ処理を実行し、発電に必要な酸化ガスが燃料電池４０に供給されるようにエアコンプレッサ６０から供給する酸化ガスのガス量を調整する。これにより、多量の酸化ガスがリークした場合であっても、発電に必要な酸化ガスが燃料電池４０に供給され、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに搭載されている燃料電池は、アノードに供給される水素を含む燃料ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化ガスを用いて電力を発生する。燃料電池から排出される水素オフガスは、酸素オフガスと混合・希釈され、水素濃度が低減された状態で車外へ排出される。しかしながら、発電効率が低い状態で燃料電池を運転している場合には、アノードから水素が排出されるだけでなく、カソードからも水素（主にポンピング水素）が排出され、規制範囲を超えた水素がシステム外部に排出されてしまう虞がある。

かかる問題を解消するべく、燃料電池のカソードに供給する酸化ガスの一部を、バイパス弁を用いることにより燃料電池をバイパスさせ、該酸化ガスの一部をカソードオフガス流路へ導くことで、カソードから排出される水素（主にポンピング水素）の濃度を希釈する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２９４６７６号公報

しかしながら、バイパス弁が故障した場合や凍結などによって開固着するなど、バイパス弁に異常が生じた場合には、多量の酸化ガスがカソードオフガス流路へ流れてしまい、燃料電池に供給すべき酸化ガスが不足し、セル電圧低下が発生するなどして最悪の場合にはシステムを停止せざるを得ない場合があった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、バイパス弁に異常などが生じることにより、多量の反応ガスがリークした場合であっても、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給源と、前記燃料電池から排出されるオフガスを排出するための排出通路と、前記ガス供給源から供給される反応ガスの一部を、前記燃料電池をバイパスして前記排出通路へ導くバイパス装置と、前記バイパス装置に異常が生じたか否かを検知する検知手段と、前記検知手段によって前記バイパス装置の異常が検知された場合には、バイパスされる前記反応ガスのガス量を推定する推定手段と、前記推定手段によって推定されたガス量に応じて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される反応ガスのガス量を調整する調整手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、反応ガスの一部を、燃料電池をバイパスして排出通路へ導くバイパス装置に異常（例えば、開故障など）が生じた場合には、バイパスされる前記反応ガスのガス量を推定し、推定したガス量に応じてガス供給源から燃料電池に供給される反応ガスのガス量を調整する。このため、多量の反応ガスがバイパス（リーク）した場合であっても、発電に必要な反応ガスを燃料電池に供給することができ、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記バイパス装置は、バイパス通路と、バイパスされる前記反応ガスの一部の流量を制御するバイパス弁とを備え、前記検知手段は、前記バイパス弁に開故障が生じたか否かを検知する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記バイパス弁の通過前後における前記反応ガスの差圧を検知するとともに、該反応ガスの温度を検知し、検知した前記反応ガスの差圧と温度に基づいて前記ガス量を推定する態様がさらに好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池の温度と要求電流に基づいて該燃料電池に要求される反応ガスのガス量を導出する導出手段をさらに備え、前記調整手段は、前記推定手段によって推定されたガス量と前記導出手段によって導出されたガス量とに基づいて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される反応ガスのガス量を調整する態様が好ましい。

さらにまた、前記反応ガスは、前記燃料電池のカソードに供給される酸素を含む酸化ガスである態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、バイパス弁に異常などが生じることにより、多量の反応ガスがリークした場合であっても、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池システム１００は、燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。
燃料ガス循環供給系は燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路２１、燃料電池４０、燃料ガス循環路２２、及びアノードオフガス流路２３を含んで構成され、酸化ガス供給系はエアコンプレッサ６０、酸化ガス供給路１１、及びカソードオフガス流路１２を含んで構成されている。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。

燃料ガス供給源３０は、燃料電池４０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池４０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３は、各ガス流路２１〜２３又は燃料電池２０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。

燃料ガス循環路２２は、未反応燃料ガスを燃料電池４０へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素ポンプ５０、逆止弁５１が各々配設されている。燃料電池４０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ５０によって適度に加圧され、燃料ガス供給路２１へ導かれる。なお、燃料ガス供給路２１から燃料ガス循環路２２への燃料ガスの逆流は、逆止弁５１によって抑制される。

アノードオフガス流路２３は、燃料電池４０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。

エアコンプレッサ（ガス供給源）６０は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池４０のカソード極に供給する。燃料電池４０のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池４０の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。このカソードオフガスは、燃料電池４０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

加湿モジュール７０は、酸化ガス供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路１２を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池４０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池４０に供給される酸化ガスの背圧は、制御装置１６０による制御のもと、カソードオフガス流路１２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ１によって調圧される。また、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１には、供給される酸化ガスの圧力を検知する圧力センサＰ１と、この酸化ガスの温度を検知する温度センサＴ１が設けられている。

ここで、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１と、加湿モジュール７０から希釈器８０に至るカソードオフガス流路１２との間は、バイパス弁Ｂ１によって接続されている。バイパス弁（バイパス装置）Ｂ１及びバイパス通路（バイパス装置）３１は、酸化ガス供給路１１を流れる酸化ガスの一部を燃料電池４０をバイパスしてカソードオフガス流路（排出通路）１２へ導く手段であり、制御装置（調整手段）１６０によってバイパスされる酸化ガス（以下、バイパスエア）のガス量が調整される。バイパス通路３１には、バイパス弁Ｂ１を通過する前のバイパスエアの圧力（１次圧）を検出する圧力センサＰ２と、バイパス弁Ｂ１を通過した後のバイパスエアの圧力（２次圧）を検出する圧力センサＰ３が設けられている。さらに、バイパス弁Ｂ１の近傍には、制御装置（検知手段）１６０による制御のもと、バイパス弁Ｂ１の弁体位置を検知する弁体位置検知センサ（検知手段）１８０が設けられている。

希釈器８０は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器８０にはカソードオフガス流路１２の下流及びアノードオフガス流路２３の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。

燃料電池４０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ１３０によって昇降圧され、バッテリ１４０に充電される。
バッテリ１４０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ１４０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。

トラクションインバータ１１０及び補機インバータ１２０は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ１４０から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。
トラクションモータＭ３は車輪１５０Ｌ、１５０Ｒを駆動するためのモータであり、補機モータＭ４は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータＭ４は水素循環ポンプ５０を駆動するモータＭ１やエアコンプレッサ６０を駆動するモータＭ２等を総称している。

制御装置１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサＳ１、バッテリ１４０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサＳ２、トラクションモータＭ３の回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサＳ３、燃料電池４０の出力電圧を検出する電圧センサＳ４、出力電流を検出する電流センサＳ５のほか、温度センサＴ１、Ｔ２、圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ１１０、１２０の出力パルス幅などを制御する。

また、制御装置１６０は、低温始動時など燃料電池４０を暖機する必要がある場合には、メモリ１７０に格納されている各マップｍｐ１〜ｍｐ５等を利用して発電効率の低い運転を行う。

図２は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図であり、発電効率の高い運転（通常運転）を行った場合を実線で示し、酸化ガス量を絞ることによって発電効率の低い運転（低効率運転）を行った場合を点線で示す。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。

通常、燃料電池４０を運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは、ＦＣ電流を発電させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。

これに対し、燃料電池４０を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池４０の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０付近（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる一方、該カソードにはポンピング水素が発生する。

図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図３Ａは通常運転時の電池反応を示す図、図３Ｂは低効率運転時の電池反応を示す図である。
各セル４は、電解質膜４ａと、この電解質膜４ａを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ₂）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ₂）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（Ａ）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４ａを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。

ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（Ｂ）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図３Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（Ｃ）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図３Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（Ａ）
カソード：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ・・・（Ｂ）
カソード：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂ ・・・（Ｃ）

このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態ではカソードオフガスにポンピング水素が含まれるため、カソードオフガスに含まれるポンピング水素量に応じてバイパス弁Ｂ１の弁開度等を調整する。このようにバイパスエアの流量を調整することで、発電に必要な酸化ガスを燃料電池４０のカソード極に供給しつつ、排気水素濃度を適正範囲に収まるように希釈することが可能となる。

しかしながら、低温環境下でバイパス弁Ｂ１を常に開いていると、弁体が凍結固着などして開故障の原因となる。このような開故障が生ずると、エアコンプレッサ６０から供給される酸化ガスが多量にバイパスされ、発電に必要な酸化ガスが燃料電池４０に供給されず（別言すれば、酸化ガス欠乏状態が生じ）、セル電圧が落ちるなどの問題が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、上記の如くバイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じた場合でも、発電に必要な酸化ガス（ＦＣ要求エア）が燃料電池４０に供給されるように、エアコンプレッサから供給する酸化ガス（送気エア）のガス量を調整する。以下、システム始動時における燃料電池システム１００の動作について説明する。

図４は、システム始動時における燃料電池システム１００の動作を示すフローチャートである。
制御装置１４０は、例えば車両の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池システム１００の運転開始指令を受け取ると（ステップＳ１００）、バイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じているか否かを判断する（ステップＳ２００）。詳述すると、制御装置（検知手段）１４０は、バイパス弁Ｂ１の弁開度を変更する制御を行ったにもかかわらず、弁体位置検知センサ（検知手段）１８０によって検知される弁体位置が変化しない場合には、バイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じていると判断し（ステップＳ２００；ＹＥＳ）、フェールセーフ処理を実行する（ステップＳ３００）。

一方、制御装置１４０は、バイパス弁Ｂ１の弁開度を変更する制御に応じて弁体位置が変化している場合には、バイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じていないと判断し（ステップＳ２００；ＮＯ）、正常始動処理を実行する（ステップＳ４００）。

＜フェールセーフ処理＞
図５は、フェールセーフ処理を示すフローチャートである。
制御装置（推定手段）１４０は、バイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じている場合には、まず、下記式（１）を利用してバイパスエア流量Ｑ_BPを推定する（ステップＳ３１０）。

Ｑ_BP；体積流量（ｍ²／ｓ）
α；流量係数
ΔＰ；差圧（Ｐａ）
ｄ；絞りの直径（ｍ）
γ；流体の密度（ｋｇ／ｍ³）
なお、流量係数α、絞りの直径ｄは弁固有の値であり、密度γは温度、圧力の関数として導出される。

式（１）に示すように、バイパスエア流量Ｑ_BPは温度、圧力の関数として導出することができる。具体的には、制御装置（推定手段）１４０は、圧力センサＰ２、Ｐ３によって検出されるバイパスエアの１次圧、２次圧から差圧ΔＰを導出するとともに、温度センサＴ１によって検出される酸化ガスの温度を求める。制御装置１４０は、これらの値を式（１）に代入することでバイパスエア流量Ｑ_BPを導出する。

制御装置（導出手段）１４０は、上記の如くバイパスエア流量Ｑ_BPを推定すると、下記式（２）を利用してＦＣ要求エアの流量（ＦＣ要求エア流量）Ｑ_FCを導出する（ステップＳ３２０）。

Ｑ_FC；モル流量（ｍｏｌ／ｓ）
Ｉ；要求電流（Ａ）
Ｆ；ファラデー定数
Ｎ_cell；ＦＣスタックセル数
Ｓ；エアストイキ比
なお、ファラデー定数Ｆ、ＦＣスタックセル数Ｎ_cellは一定値であり、エアストイキ比Ｓは要求電流、ＦＣ温度の関数として導出される。

式（２）に示すように、ＦＣ要求エア流量Ｑ_FCは要求電流Ｉ、ＦＣ温度の関数として導出することができる。具体的には、制御装置１４０は、図示せぬマップを利用して発電電力に応じた要求電流Ｉを導出するとともに、温度センサＴ２によって検出されるＦＣ温度を求める。制御装置１４０は、これらの値を式（２）に代入することでＦＣ要求エア流量Ｑ_FCを導出する。

制御装置１４０は、式（１）を利用して推定したバイパスエア流量Ｑ_BPに、式（２）を利用して導出したＦＣ要求エア流量Ｑ_FCを加算（すなわち上乗せ）することで、送気エアの流量（送気エア流量）Ｑ_AIRを導出する（ステップＳ３３０；下記式（３）参照）。
Ｑ_AIR＝Ｑ_BP＋Ｑ_FC ・・・（３）

制御装置（調整手段）１４０は、導出した送気エア流量Ｑ_AIRが得られるように、エアコンプレッサ６０の動作を制御し（ステップＳ３４０）、処理を終了する。

＜正常始動処理＞
図６は、正常始動処理を示すフローチャートである。
制御装置１４０は、温度センサＴ２によって検出されるＦＣ温度がメモリ（図示略）に設定されている基準温度を下回っているか否かを判断する（ステップＳ４１０）。ここで、基準温度は、システム始動時に低効率運転を実施すべきか否かを判断するための基準温度（例えば０℃）である。なお、基準温度は、製造出荷時などに予め設定しても良いが、ボタン操作などによって適宜設定・変更可能としても良い。

制御装置１４０は、検出されるＦＣ温度が基準温度を超えていることを検知すると、通常運転を開始し（ステップＳ４２０）、処理を終了する。

一方、制御装置１４０は、検出されるＦＣ温度が基準温度を下回っていることを検知すると、低効率運転を開始すべく、目標とする低効率運転動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）を決定した後（図２参照）、メモリ１７０に格納されている低効率ストイキ比マップｍｐ１を参照する。低効率運転ストイキ比マップｍｐ１は、ＦＣ電流指令値ＩｔとＦＣ電圧指令値Ｖｔからエアストイキ比を決定するものであり、実験などによって求めた値をベースに作成される。制御装置１４０は、決定したＦＣ電流Ｉｔ、ＦＣ電圧Ｖｔ、低効率運転ストイキ比マップｍｐ１を利用して該運転動作点におけるエアストイキ比Ｒａを決定する（ステップＳ４３０）。

制御装置１４０は、エアストイキ比Ｒａを決定すると、メモリ１７０に格納されているポンピング水素量マップｍｐ２及びパージ水素量マップｍｐ３を参照する。ポンピング水素量マップｍｐ２は、ＦＣ電流指令値Ｉｔと、決定したエアストイキ比Ｒａと、温度センサＳ６によって検出される燃料電池４０の温度からポンピング水素の発生量（ポンピング水素量）を推定するものであり、実験などにより求めた値をベースに作成される。また、パージ水素量マップｍｐ３は、ＦＣ電流から水素オフガスを含むアノードオフガスの排出量（パージ水素量）を推定するためのマップである。

制御装置１４０は、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、エアストイキ比Ｒａ、燃料電池４０の温度、ポンピング水素量マップｍｐ２を利用してポンピング水素量Ａｐ１を推定する一方、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、パージ水素量マップｍｐ３を利用してパージ水素量Ａｐ２を推定し、目標とする低効率動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）における総排気水素量Ａｔを求める（ステップＳ４４０；下記式（４）参照）。
Ａｔ＝Ａｐ１＋Ａｐ２・・・（４）

制御装置１４０は、総排気水素量Ａｔを求めると、排気水素濃度を基準値以下にするのに必要なＦＣ必要エア流量、エア掃気量指令値、バイパスエア流量を導出する（ステップＳ４５０）。具体的には、まず、下記式（５）を利用して燃料電池４０に必要なエア流量（ＦＣ必要エア流量）Ａｎを求める。
Ａｎ＝Ｉｔ＊｛４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）｝＊１００／２１・・・（５）

次に、制御装置１４０は、下記式（６）を利用して燃料電池４０で消費されるエア流量（ＦＣ消費エア流量）Ａｃを求めるとともに、下記式（７）を利用して排気水素濃度を基準値以下に希釈するのに必要なエア流量（総エア流量）Ａｄを求める。
Ａｃ＝Ｉｔ＊４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）・・・（６）
Ａｄ＝（Ａｔ＊１００／Ｄｔ）＋Ａｃ・・・（７）
Ｄｔ；排気水素の目標濃度（％）

さらに、制御装置１４０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎにバイパス最低エア流量Ａｂｌを加算した値と総エア流量Ａｄとを比較し、大きい方をエアコンプレッサ６０のエア送気量指令値Ａｓｐとして設定する（下記式（８）参照）。そして、設定したエア送気量指令値ＡｓｐとＦＣ必要エア流量Ａｎを下記式（９）に代入することで、バイパスエア流量Ａｂｐを求める。なお、バイパス最低エア流量Ａｂｌは、低効率運転時にバイパスライン３１に流すべきエア流量の最小値をあらわす。
Ａｓｐ＝ＭＡＸ｛（Ａｎ＋Ａｂｌ）,（Ａｄ）｝・・・（８）
Ａｂｐ＝Ａｓｐ−Ａｎ・・・（９）

制御装置１４０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐを求めると、エア調圧弁開度マップｍｐ４及びバイパス弁開度マップｍｐ５を参照する。エア調圧弁開度マップｍｐ４は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからエア調圧弁Ａ１の弁開度を決定するためのマップであり、バイパス弁開度マップｍｐ５は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからバイパス弁Ｂ１の弁開度を決定するためのマップである。

制御装置１４０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐ、エア調圧弁開度マップｍｐ４、バイパス弁開度マップｍｐ５を利用してエア調圧弁Ａ１の弁開度及びバイパス弁Ｂ１の弁開度を調整する（ステップＳ４６０）。このとき、エア調圧弁Ａ１の弁開度は、電流計Ｓ５によって検出されるＦＣ電流の測定値と目標値の偏差から生成するＰＩＤ補正項にて補正を行う。

さらに、制御装置１４０は、設定したエア送気量指令値Ａｓに従ってエアコンプレッサ６０の駆動を制御すると（ステップＳ４７０）、ステップＳ４８０に進み、低効率運転を終了すべきか否か（すなわち燃料電池４０の暖気運転を終了すべきか否か）を判断する。ここで、燃料電池４０の温度が予め設定された基準温度以上であれば低効率運転を終了する一方、基準温度を下回っていればステップＳ４３０に戻り、上述した処理を継続する。もちろん、これに限ることなく、発熱量や低効率運転の運転時間などに基づいて低効率運転を終了すべきか否かを判断しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、バイパス弁Ｂ１に開故障などの異常が生じた場合には、フェールセーフ処理を実行し、発電に必要な酸化ガスが燃料電池４０に供給されるように、エアコンプレッサ６０から供給する酸化ガスのガス量を調整する。これにより、多量の酸化ガスがリークした場合であっても、発電に必要な酸化ガスが燃料電池に供給されるため、セル電圧低下などの発生を抑制することが可能となる。

Ｂ．変形例
（１）上述した本実施形態では、凍結固着によってバイパス弁Ｂ１が開故障する場合を例に説明したが、例えば断線や弁体の変形などによってバイパス弁Ｂ１に異常（開故障や閉故障）が生じた場合も同様に適用可能である。さらに、バイパス弁Ｂ１の異常のみならず、燃料電池４０の内部で酸化ガスがリークしたり、酸化ガス供給路１１の配管が外れる等して酸化ガスがリークする場合にも同様に適用可能である。

（２）また、上述した本実施形態では、低効率運転の一態様としてカソードに供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させる場合について説明したが、これに代えて（あるいはこれに加えて）アノードに供給する燃料ガスが不足した状態で燃料電池を発電させても良い。

（３）また、本実施形態では、ガス供給路を流れる希釈用ガス（酸化ガス）の一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減したが、例えば希釈用ガス供給手段を別途設け、このガス供給手段から希釈用ガスを排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減しても良い。

（４）また、本実施形態では、システム起動時に低効率運転を行う場合を例示したが、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。

（５）また、本実施形態では、圧力センサＰ２、Ｐ３によって検出されるバイパスエアの１次圧、２次圧から差圧ΔＰを導出したが、圧力センサＰ３によって検出されるバイパスエアの圧力を大気圧とみなして（つまり大気圧で代用して）、圧力センサＰ３を省略しても良い。さらに、圧力センサＰ１、Ｐ２によって検出されるそれぞれの圧力を等しいとみなして、いずれか一方の圧力センサ（例えば圧力センサＰ２）のみを利用しても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。同実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示す図である。同実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図である。同実施形態に係るポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図である。同実施形態に係るシステム始動時の動作を示すフローチャートである。同実施形態に係るフェールセーフ処理を示すフローチャートである。同実施形態に係る正常始動処理を示すフローチャートである。

符号の説明

３０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、５０・・・水素循環ポンプ、６０・・・エアコンプレッサ、７０・・・加湿モジュール、８０・・・希釈器、１１０・・・トラクションインバータ、１２０・・・補機インバータ、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０・・・バッテリ、１５０Ｌ、１５０Ｒ・・・車輪、１６０・・・制御装置、１８０・・・弁体位置検知センサ、Ｈ１・・・タンクバルブ、Ｈ２・・・水素供給バルブ、Ｈ３・・・ＦＣ入口バルブ、Ｈ４・・・ＦＣ出口バルブ、Ｈ５・・・パージバルブ、５１・・・逆止弁、Ａ１・・・圧力調整弁、Ｂ１・・・バイパスバルブ、１１・・・酸化ガス供給路、１２・・・カソードオフガス流路、Ｓ１・・・アクセルペダルセンサ、Ｓ２・・・ＳＯＣセンサ、Ｓ３・・・Ｔ／Ｃモータ回転数検出センサ、Ｓ４・・・電圧センサ、Ｓ５・・・電流センサ、Ｔ１，Ｔ２・・・温度センサ、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・圧力センサ、ｍｐ１・・・低効率運転ストイキ比マップ、ｍｐ２・・・ポンピング水素量マップ、ｍｐ３・・・パージ水素量マップ、ｍｐ４・・・エア調圧弁開度マップ、ｍｐ５・・・バイパス弁開度マップ、１００・・・燃料電池システム。

Claims

燃料電池に反応ガスを供給するガス供給源と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを排出するための排出通路と、
前記ガス供給源から供給される反応ガスの一部を、前記燃料電池をバイパスして前記排出通路へ導くバイパス装置と、
前記バイパス装置に異常が生じたか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段によって前記バイパス装置の異常が検知された場合には、バイパスされる前記反応ガスのガス量を推定する推定手段と、
前記推定手段によって推定されたガス量に応じて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される反応ガスのガス量を調整する調整手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
前記バイパス装置は、バイパス通路と、バイパスされる前記反応ガスの一部の流量を制御するバイパス弁とを備え、
前記検知手段は、前記バイパス弁に開故障が生じたか否かを検知することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記推定手段は、前記バイパス弁の通過前後における前記反応ガスの差圧を検知するとともに、該反応ガスの温度を検知し、検知した前記反応ガスの差圧と温度に基づいて前記ガス量を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の温度と要求電流に基づいて該燃料電池に要求される反応ガスのガス量を導出する導出手段をさらに備え、
前記調整手段は、前記推定手段によって推定されたガス量と前記導出手段によって導出されたガス量とに基づいて前記ガス供給源から前記燃料電池に供給される反応ガスのガス量を調整することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記反応ガスは、前記燃料電池のカソードに供給される酸素を含む酸化ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。