JP2014150036A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のカソード側のバイパス弁の異常の有無を検知し、バイパス弁の異常時に適切な制御を行なう。
【解決手段】燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに接続された酸化剤ガス供給路５１および酸化剤ガス排出路５２を接続し、カソード１１Ｂを迂回して空気を酸化剤ガス供給路５１から酸化剤ガス排出路５２に通流させるバイパス路５３と、バイパス路５３を開閉可能なバイパス弁１８と、を備える燃料電池システム１０の制御方法であって、燃料電池システム１０の起動信号または停止信号を受信する信号受信工程と、信号受信工程によって起動信号または停止信号を受信した後に、所定流量の空気を供給するようにエアーコンプレッサー１３を駆動する駆動工程と、駆動工程におけるエアーコンプレッサー１３の駆動時にバイパス弁１８の異常の有無を検知する検知工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。

従来、燃料電池のカソードに反応ガスを供給するためのカソード側供給流路と燃料電池のカソードから反応ガスを排出するためのカソード側排出流路とをバイパス流路によって接続し、このバイパス流路に開閉弁（バイパス弁）を設けた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この燃料電池システムは、燃料電池のカソードに供給される反応ガスの一部を、燃料電池を迂回させてカソード側排出流路に流通可能である。

特開２０１２−６９４３７号公報

ところで、上記従来技術に係る燃料電池システムによれば、バイパス弁の異常の有無を検知し、バイパス弁の異常時に適切な制御を行なうことが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池のカソード側のバイパス弁の異常の有無を検知し、バイパス弁の異常時に適切な制御を行なうことが可能な燃料電池システムの制御方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの制御方法は、アノード（例えば、実施の形態でのアノード１１Ａ）の燃料およびカソード（例えば、実施の形態でのカソード１１Ｂ）の酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施の形態での水素タンク２１および水素供給弁２２）と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路（例えば、実施の形態での酸化剤ガス供給路５１）と、前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路（例えば、実施の形態での酸化剤ガス排出路５２）と、前記酸化剤ガスとして空気を前記酸化剤ガス供給路に供給する空気供給手段（例えば、実施の形態でのエアーコンプレッサー１３）と、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とを接続し、前記カソードを迂回して前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路から前記酸化剤ガス排出路に通流させるバイパス路（例えば、実施の形態でのバイパス路５３）と、前記バイパス路を開度調整可能なバイパス弁（例えば、実施の形態でのバイパス弁１８）と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムの起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を受信する信号受信工程と、前記信号受信工程によって前記起動信号または前記停止信号を受信した後に、所定流量の前記空気を供給するように前記空気供給手段を駆動する駆動工程と、前記駆動工程における前記空気供給手段の駆動時に前記バイパス弁の異常の有無を検知する検知工程と、を含む。

さらに、本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの制御方法では、前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給路および前記酸化剤ガス排出路を開閉可能であって前記燃料電池の前記カソードを封止可能な封止弁（例えば、実施の形態での封止入口弁１５および封止出口弁１６）を備え、前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記封止弁の開弁を指示する開弁信号を出力する開弁信号出力工程と、前記開弁信号出力工程によって前記開弁信号を出力した後に、前記封止弁の開弁が完了するまでの期間に亘って、前記空気供給手段から前記酸化剤ガス供給路に供給される前記空気の流量を所定値以下に規制する流量規制工程と、を含む。

さらに、本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの制御方法では、前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施の形態での燃料ガス排出路５６）と、前記燃料ガス排出路および前記酸化剤ガス排出路に接続されて前記燃料ガスを前記空気によって希釈する希釈手段（例えば、実施の形態での希釈器３２）と、前記燃料電池と前記希釈手段との間で前記燃料ガス排出路を開閉可能なパージ弁（例えば、実施の形態でのパージ弁３０）と、を備え、前記パージ弁から前記希釈手段に前記燃料ガスを供給しない状態かつ前記封止弁の開弁状態で前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路を介して前記カソードに前記空気を供給する空気供給工程と、前記パージ弁の開弁状態で前記燃料ガス供給手段によって前記アノードに前記燃料ガスを供給するアノードパージ工程と、を含み、前記信号受信工程によって前記起動信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記アノードパージ工程の実行に先立って前記空気供給工程を実行し、前記空気供給工程の実行完了後に前記アノードパージ工程の実行を許可する。

さらに、本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの制御方法は、前記信号受信工程によって前記起動信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記バイパス弁の異常を検知しなかった場合に比べて、前記空気供給工程での前記空気の流量を増量する。

さらに、本発明の第５の発明に係る燃料電池システムの制御方法では、前記燃料電池システムは、前記燃料電池と電気負荷（例えば、実施の形態でのモータＭ）との接続と遮断とを切替可能な断接手段（例えば、実施の形態でのコンタクタ３９）を備え、前記信号受信工程によって前記停止信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路に前記空気を供給しない状態かつ前記封止弁の閉弁状態で前記断接手段を接続状態にして、前記燃料電池の発電を行なう封止弁閉弁発電工程を含む。

さらに、本発明の第６の発明に係る燃料電池システムの制御方法では、前記燃料電池システムは、前記燃料電池と電気負荷（例えば、実施の形態でのモータＭ）との接続と遮断とを切替可能な断接手段（例えば、実施の形態でのコンタクタ３９）を備え、前記信号受信工程によって前記停止信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路に前記空気を供給する状態かつ前記封止弁の開弁状態で前記断接手段を接続状態にして、前記カソードの酸素濃度を低下させつつ前記燃料電池の発電を行なう封止弁開弁発電工程を含む。

さらに、本発明の第７の発明に係る燃料電池システムの制御方法では、前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施の形態での燃料ガス排出路５６）と、前記燃料ガス排出路および前記酸化剤ガス排出路に接続されて前記燃料ガスを前記空気によって希釈する希釈手段（例えば、実施の形態での希釈器３２）と、を備え、前記燃料電池の発電に先立って、前記封止弁の開弁状態で前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路と前記カソードと前記酸化剤ガス排出路とを介して前記希釈手段に前記空気を供給する掃気工程を含む。

さらに、本発明の第８の発明に係る燃料電池システムの制御方法は、前記封止弁開弁発電工程の実行完了後に前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路に前記空気を供給しない状態かつ前記封止弁の閉弁状態で前記断接手段を接続状態にして、前記燃料電池の発電を行なう閉弁発電工程を含む。

本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、起動信号または停止信号を受信した後に、通常の起動処理または停止処理を実行することに先立って、バイパス弁の異常の有無を検知し、バイパス弁の異常時には通常の起動処理または停止処理とは異なる適切な制御を行なうことができる。

本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、バイパス弁の異常として開弁状態にならない閉故障を検知した場合であっても、空気供給手段と封止弁との間で空気の圧力が過大になることを防止することができる。

本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、先ず空気供給工程によって、アノードに比べて水素濃度が低いカソードを空気によって希釈し、希釈手段の空気濃度を増大させた後に、アノードパージ工程の実行を許可する。これによって、バイパス弁の異常として開弁状態にならない閉故障を検知した場合であっても、アノードパージ工程でアノードから希釈手段に排出される燃料ガスによって希釈手段の水素濃度が増大することを抑制することができる。

本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、バイパス弁の異常として開弁状態にならない閉故障を検知した場合に、空気供給手段からカソードを介して希釈手段に空気を供給する場合であっても、バイパス弁を介して希釈手段に空気を供給する場合に比べて、希釈手段への空気の供給量が低下することを防ぎ、空気による所望の希釈を行なうことができる。

本発明の第５または第６の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の発電によってカソードの酸素濃度を低下させる際に、カソードにおける空気の圧力が過大になることを防止することができる。

本発明の第７の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、先ず希釈工程によって、希釈手段の空気濃度を増大させた後に、燃料電池の発電を実行する。これによって、燃料電池の発電時に、空気供給手段から希釈手段に空気を供給することができない、または空気供給手段から希釈手段に僅かな空気しか供給することができない場合であっても、アノードから希釈手段に排出された燃料ガスによって希釈手段の水素濃度が増大することを抑制することができる。

本発明の第８の発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、カソードに空気が供給されることを防止し、カソードの酸素濃度が増大することを防止することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御装置による制御動作（つまり、燃料電池システムの制御方法）を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御装置による制御動作（つまり、燃料電池システムの制御方法）を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について添付図面を参照しながら説明する。

本実施形態による燃料電池システム１０は、例えば、走行駆動用のモータＭおよびモータＭを制御するパワードライブユニットＰＤＵを備える車両１に電源として搭載されている。
なお、車両１は、例えばイグニッションスイッチなどのように、運転者による入力操作に応じて車両１の起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を出力するスイッチ２を備えている。

燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、インテイク１２と、エアーコンプレッサー１３と、加湿器１４と、封止入口弁１５と、封止出口弁１６と、圧力制御弁１７と、バイパス弁１８と、排気再循環ポンプ１９と、逆止弁２０と、水素タンク２１と、水素供給弁２２と、遮断弁２３と、インジェクタ２４と、エゼクタ２５と、バイパスインジェクタ２６と、気液分離器２７と、水素ポンプ２８と、逆止弁２９と、パージ弁３０と、ドレイン弁３１と、希釈器３２と、エアフローセンサー３３と、温度センサ３４と、圧力センサ３５と、水素温度センサ３６と、水素圧力センサ３７と、電圧センサ３８と、コンタクタ３９と、電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０と、制御装置４１と、を備えている。

燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セルが積層された積層体（図示略）と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）と、を備えている。
燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータと、を備えている。
膜電極接合体は、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）１１Ａと、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）１１Ｂと、アノード１１Ａおよびカソード１１Ｂによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜１１Ｃと、を備えている。

燃料電池スタック１１のアノード１１Ａには、燃料として水素を含む燃料ガス（反応ガス）が水素タンク２１から供給され、カソード１１Ｂには、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサー１３から供給される。
アノード１１Ａに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜１１Ｃを介してカソード１１Ｂへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路（電圧調整器４０など）に取り出し可能である。
アノード１１Ａからカソード１１Ｂのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード１１Ｂに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。

なお、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルには、例えばＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）などの参照電極（図示略）が接続されていてもよい。
参照電極は、例えば、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノード１１Ａの電位（アノード電位）を測定して、測定結果の信号を制御装置４１に出力可能である。
参照電極は、例えば、複数の燃料電池セルの全てに設けられていてもよいし、複数の燃料電池セルのうちの所定の燃料電池セルにのみ設けられていてもよい。

エアーコンプレッサー１３は、制御装置４１により駆動制御されるモータなどを備え、このモータの駆動力によってインテイク１２を介して外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気をカソード１１Ｂに接続された酸化剤ガス供給路５１に排出する。

加湿器１４は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出された空気などの排出ガス（カソードオフガス）を加湿用のガスとして用いて、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に排出された空気（カソードガス）を加湿する。
より詳細には、加湿器１４は、エアーコンプレッサー１３から排出された空気と燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから排出された湿潤状態の排出ガスとを水透過膜を介して接触させることで、排出ガスに含まれる水分（特に、水蒸気）のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気（カソードガス）に添加する。

封止入口弁１５は、エアーコンプレッサー１３と、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに空気を供給可能なカソード供給口１１ａと、を接続する酸化剤ガス供給路５１に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス供給路５１を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。
封止出口弁１６は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂから空気などの排出ガス（カソードオフガス）を排出可能なカソード排出口１１ｂと、希釈器３２と、を接続する酸化剤ガス排出路５２に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。

圧力制御弁１７は、酸化剤ガス排出路５２における加湿器１４と希釈器３２との間に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を流通するカソードオフガスの圧力を制御する。

バイパス弁１８は、酸化剤ガス供給路５１におけるエアーコンプレッサー１３と加湿器１４との間と、酸化剤ガス排出路５２における圧力制御弁１７と希釈器３２との間と、を接続するバイパス路５３に設けられている。
バイパス弁１８は、エアーコンプレッサー１３から供給された空気を、酸化剤ガス供給路５１から分岐してカソード１１Ｂを迂回するバイパス路５３を介して、希釈器３２に供給可能であり、制御装置４１の制御によってバイパス路５３を開閉可能である。

排気再循環ポンプ１９は、酸化剤ガス供給路５１における封止入口弁１５とカソード供給口１１ａとの間と、酸化剤ガス排出路５２におけるカソード排出口１１ｂと封止出口弁１６との間と、を接続する排気再循環路５４に設けられている。
排気再循環ポンプ１９は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂを通過してカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出されたカソードオフガスの少なくとも一部を排気再循環路５４に通流させる。そして、排気再循環路５４を流通したカソードオフガスを、封止入口弁１５からカソード供給口１１ａに向かい酸化剤ガス供給路５１を流通する空気（カソードガス）に混合して、カソード１１Ｂに再び供給する。

逆止弁２０は、酸化剤ガス排出路５２から酸化剤ガス供給路５１に向かう方向を順方向として、排気再循環路５４に設けられている。

水素タンク２１は、圧縮された水素を貯留し、水素を排出可能である。
水素供給弁２２は、水素タンク２１と、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに水素を供給可能なアノード供給口１１ｃと、を接続する燃料ガス供給路５５に設けられている。
水素供給弁２２は、制御装置４１の制御またはエアーコンプレッサー１３から排出される空気の圧力による信号圧などに応じた圧力を有する水素を、水素タンク２１から燃料ガス供給路５５に供給する。

遮断弁２３は、燃料ガス供給路５５において水素供給弁２２とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって燃料ガス供給路５５を遮断可能である。

インジェクタ２４は、燃料ガス供給路５５において遮断弁２３とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって目標圧力の水素をアノード供給口１１ｃへ所定の周期で間欠的に供給する。これによって、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂとアノード１１Ａとの間の極間差圧を所定の圧力に保持する。

エゼクタ２５は、燃料ガス供給路５５においてインジェクタ２４とアノード供給口１１ｃとの間に設けられている。
エゼクタ２５は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから燃料ガス排出路５６に排出された未反応の水素を含む排出ガス（アノードオフガス）の少なくとも一部を、燃料ガス排出路５６と燃料ガス供給路５５とを接続する燃料ガス循環路５７に通流させる。そして、燃料ガス循環路５７を流通したアノードオフガスを、インジェクタ２４からアノード供給口１１ｃに向かい燃料ガス供給路５５を流通する水素に混合して、アノード１１Ａに再び供給する。

バイパスインジェクタ２６は、燃料ガス供給路５５における遮断弁２３とアノード供給口１１ｃとの間でインジェクタ２４およびエゼクタ２５を迂回して燃料ガス供給路５５に接続された迂回路５８に設けられている。
バイパスインジェクタ２６は、制御装置４１の制御によってインジェクタ２４を補助するようにして目標圧力の水素をアノード供給口１１ｃへ供給する。

気液分離器２７は、燃料ガス排出路５６においてアノード排出口１１ｄと燃料ガス循環路５７との間に設けられている。
気液分離器２７は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する。そして、分離後のアノードオフガスを燃料ガス排出路５６に接続されたガス排出口（図示略）から排出し、分離後の水分を水分排出路５９に接続された水分排出口（図示略）から排出する。

水素ポンプ２８は、燃料ガス排出路５６における気液分離器２７とパージ弁３０との間と、エゼクタ２５の副流導入口（図示略）とに接続された燃料ガス循環路５７に設けられている。
水素ポンプ２８は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから燃料ガス排出路５６に排出されたアノードオフガスの少なくとも一部を、燃料ガス循環路５７に通流させる。そして、燃料ガス循環路５７を流通したアノードオフガスを、インジェクタ２４からアノード供給口１１ｃに向かい燃料ガス供給路５５を流通する水素に混合して、アノード１１Ａに再び供給する。

逆止弁２９は、燃料ガス排出路５６から燃料ガス供給路５５に向かう方向を順方向として、燃料ガス循環路５７に設けられている。

パージ弁３０は、燃料ガス排出路５６において気液分離器２７のガス排出口と希釈器３２との間に設けられている。パージ弁３０は、制御装置４１の制御によって燃料ガス排出路５６を開閉可能であって、気液分離器２７のガス排出口から排出されたアノードオフガスを制御装置４１の制御によって希釈器３２に供給可能である。

ドレイン弁３１は、水分排出路５９において気液分離器２７の水分排出口と希釈器３２との間に設けられている。ドレイン弁３１は、制御装置４１の制御によって水分排出路５９を開閉可能であって、気液分離器２７の水分排出口から排出された水分を制御装置４１の制御によって希釈器３２に供給可能である。

希釈器３２は、酸化剤ガス排出路５２と、燃料ガス排出路５６と、水分排出路５９と、に接続されている。
希釈器３２は、パージ弁３０から供給されたアノードオフガスの水素濃度を、バイパス弁１８から供給された空気または圧力制御弁１７から供給されたカソードオフガスによって希釈する。そして、希釈後の水素濃度が所定濃度以下に低減された排出ガスを外部（例えば、大気中など）に排出する。

エアフローセンサー３３は、インテイク１２の下流側に設けられ、インテイク１２を介して外部から取り込まれる空気の流量Ｇａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
温度センサ３４は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される空気の温度Ｔａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
圧力センサ３５は、例えば酸化剤ガス供給路５１において封止入口弁１５よりも上流側かつ酸化剤ガス供給路５１と排気再循環路５４との接続位置よりも下流側に設けられている。圧力センサ３５は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される空気の圧力Ｐａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。

水素温度センサ３６は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給される燃料ガスの温度Ｔｈを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
水素圧力センサ３７は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給される燃料ガスの圧力Ｐｈを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。

電圧センサ３８は、燃料電池スタック１１の正極および負極間の電圧（つまり、複数の燃料電池セルの電圧の総和である総電圧）ＶＦＣを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。

コンタクタ３９は、燃料電池スタック１１の正極および負極に接続され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１と電気負荷（例えば、パワードライブユニットＰＤＵなど）との接続と遮断とを切り替える。

電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０は、コンタクタ３９を介した燃料電池スタック１１の正極および負極と、電気負荷との間に配置され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１から出力される電圧および電流を調整する。

制御装置４１は、スイッチ２から出力される信号と、各センサ３３−３８から出力される検出結果の信号に基づいて、燃料電池システム１０の動作を制御する。

なお、燃料電池システム１０は、例えば、車両１に搭載された走行駆動用のモータＭおよび蓄電装置（図示略）などの電気機器に加えて、制御装置４１の制御によって燃料電池スタック１１に対する接続および遮断が切り替え可能かつ負荷電流が変更可能とされた電気負荷（例えば、ディスチャージ抵抗や電子負荷など）を備えていてもよい。この場合、制御装置４１は、燃料電池スタック１１の発電時の放電（ディスチャージ）として、電気負荷への放電を制御可能である。

本実施形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１０の制御装置４１による制御動作（つまり、燃料電池システム１０の制御方法）について説明する。

以下に、燃料電池システム１０の起動時の制御方法について説明する。
先ず、図２に示すステップＳ０１においては、信号受信工程として、スイッチ２に対する運転者の入力操作などによって燃料電池システム１０の起動を指示する起動信号を受信したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０１の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、封止入口弁１５および封止出口弁１６を閉弁状態にして、ステップＳ０２に進む。

次に、ステップＳ０２においては、バイパス弁１８の異常として開弁状態にならずに閉弁状態が維持される閉故障の有無を判定する。
より詳細には、先ず、駆動工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でエアーコンプレッサー１３を駆動し、所定流量（例えば、流量を適正に制御可能な最低流量など）の空気を酸化剤ガス供給路５１に供給するように制御する。
次に、検知工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でエアーコンプレッサー１３を駆動した状態で、バイパス弁１８の開弁を指示する開弁信号を出力する。そして、圧力センサ３５によって検出された空気の圧力Ｐａに基づき、例えば空気の圧力Ｐａの上昇速度が所定速度以上であるか否か、例えば空気の圧力Ｐａの絶対値が所定圧力以上であるか否か、などの判定処理を実行する。そして、これらの判定結果に応じて、例えば空気の圧力Ｐａの上昇速度が所定速度以上である場合、例えば空気の圧力Ｐａの絶対値が所定圧力以上である場合、などには、バイパス弁１８が閉故障であると判定する。
なお、バイパス弁１８の異常を検知した場合には、適宜の表示器（図示略）やスピーカ（図示略）などによって、バイパス弁１８の異常を車両１の運転者に報知してもよい。

次に、ステップＳ０３においては、バイパス弁１８が閉故障であると判定したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０４に進む。

そして、ステップＳ０４においては、先ず、開弁信号出力工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁を指示する開弁信号を出力する。次に、流量規制工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁が完了するまでの期間に亘って、エアーコンプレッサー１３の回転数を制御する。この回転数の制御では、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に供給される空気の流量を所定値以下に規制する。なお、この回転数の制御では、エアーコンプレッサー１３の駆動を停止して、空気の流量をゼロにしてもよい。

次に、ステップＳ０５においては、所定時間に亘って実行する空気供給工程として、パージ弁３０から希釈器３２にアノードオフガスを供給しない状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁状態で、エアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂを介して希釈器３２に空気を供給する。これによって、エアーコンプレッサー１３から順次、酸化剤ガス供給路５１とカソード１１Ｂと酸化剤ガス排出路５２とを介して、希釈器３２に空気を供給し、カソード１１Ｂの雰囲気を空気によって置換するとともに、希釈器３２の水素を空気によって希釈する。

なお、パージ弁３０から希釈器３２にアノードオフガスを供給しない状態は、例えばパージ弁３０または遮断弁２３の閉状態などである。
また、この空気供給工程においては、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に供給される空気の流量を、バイパス弁１８の閉故障が検知されていない場合にエアーコンプレッサー１３からバイパス路５３を介して希釈器３２に空気を供給する場合に比べて、所定流量だけ増量する。
また、この空気供給工程においては、排気再循環ポンプ１９を駆動して、カソード１１Ｂから排出されたカソードオフガスの少なくとも一部をカソード１１Ｂに循環させてもよい。
また、この空気供給工程においては、圧力制御弁１７によって酸化剤ガス排出路５２を流通するカソードオフガスの圧力を制御してもよい。

次に、ステップＳ０６においては、アノードパージ工程として、燃料電池スタック１１を電気負荷から遮断した無負荷（つまり非発電状態）かつパージ弁３０および遮断弁２３の開弁状態で、水素タンク２１からアノード１１Ａを介して希釈器３２に水素を供給する。これによって、水素タンク２１から順次、燃料ガス供給路５５とアノード１１Ａと燃料ガス排出路５６とを介して、希釈器３２に水素を供給し、アノード１１Ａの雰囲気を水素によって置換する。このとき、パージ弁３０から希釈器３２に供給された水素は、アノードパージ工程に先立って実行された空気供給工程によってエアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂを介して希釈器３２に供給された空気によって希釈される。そして、ステップＳ０６の実行完了によって、燃料電池システム１０の起動は完了し、エンドに進む。

また、ステップＳ０７においては、バイパス弁１８の開弁状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でエアーコンプレッサー１３を駆動する。これによって、エアーコンプレッサー１３から順次、酸化剤ガス供給路５１とバイパス路５３と酸化剤ガス排出路５２とを介して、希釈器３２に空気を供給する。

次に、ステップＳ０８においては、アノードパージ工程として、燃料電池スタック１１を電気負荷から遮断した無負荷（つまり非発電状態）かつパージ弁３０および遮断弁２３の開弁状態で、水素タンク２１からアノード１１Ａを介して希釈器３２に水素を供給する。これによって、水素タンク２１から順次、燃料ガス供給路５５とアノード１１Ａと燃料ガス排出路５６とを介して、希釈器３２に水素を供給し、アノード１１Ａの雰囲気を水素によって置換する。このとき、パージ弁３０から希釈器３２に供給された水素は、エアーコンプレッサー１３からバイパス路５３を介して希釈器３２に供給された空気によって希釈される。

次に、ステップＳ０９においては、バイパス弁１８およびパージ弁３０の閉弁状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁状態で、エアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂを介して希釈器３２に空気を供給する。これによって、エアーコンプレッサー１３から順次、酸化剤ガス供給路５１とカソード１１Ｂと酸化剤ガス排出路５２とを介して、希釈器３２に空気を供給し、カソード１１Ｂの雰囲気を空気によって置換するとともに、希釈器３２の水素を空気によって希釈する。そして、ステップＳ０９の実行完了によって、燃料電池システム１０の起動は完了し、エンドに進む。

以下に、燃料電池システム１０の停止時の制御方法について説明する。
先ず、図３に示すステップＳ１１においては、信号受信工程として、スイッチ２に対する運転者の入力操作などによって燃料電池システム１０の停止を指示する停止信号を受信したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１１の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、封止入口弁１５および封止出口弁１６を閉弁状態にして、ステップＳ１２に進む。

次に、ステップＳ１２においては、バイパス弁１８の異常として開弁状態にならずに閉弁状態が維持される閉故障の有無を判定する。
より詳細には、先ず、駆動工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でエアーコンプレッサー１３を駆動し、所定流量（例えば、流量を適正に制御可能な最低流量など）の空気を酸化剤ガス供給路５１に供給するように制御する。
次に、検知工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でエアーコンプレッサー１３を駆動した状態で、バイパス弁１８の開弁を指示する開弁信号を出力する。そして、圧力センサ３５によって検出された空気の圧力Ｐａに基づき、例えば空気の圧力Ｐａの上昇速度が所定速度以上であるか否か、例えば空気の圧力Ｐａの絶対値が所定圧力以上であるか否か、などの判定処理を実行する。そして、これらの判定結果に応じて、例えば空気の圧力Ｐａの上昇速度が所定速度以上である場合、例えば空気の圧力Ｐａの絶対値が所定圧力以上である場合、などには、バイパス弁１８が閉故障であると判定する。
なお、バイパス弁１８の異常を検知した場合には、適宜の表示器（図示略）やスピーカ（図示略）などによって、バイパス弁１８の異常を車両１の運転者に報知してもよい。

次に、ステップＳ１３においては、バイパス弁１８が閉故障であると判定したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１４に進む。

そして、ステップＳ１４においては、先ず、開弁信号出力工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁を指示する開弁信号を出力する。次に、流量規制工程として、封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁が完了するまでの期間に亘って、エアーコンプレッサー１３の回転数を制御する。この回転数の制御では、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に供給される空気の流量を所定値以下に規制する。なお、この回転数の制御では、エアーコンプレッサー１３の駆動を停止して、空気の流量をゼロにしてもよい。

次に、ステップＳ１５においては、掃気工程を実行し、掃気工程の実行完了後に、酸素欠乏発電工程を実行する。
先ず、所定時間に亘って実行する掃気工程では、パージ弁３０から希釈器３２にアノードオフガスを供給しない状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁状態で、エアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂを介して希釈器３２に空気を供給する。これによって、エアーコンプレッサー１３から順次、酸化剤ガス供給路５１とカソード１１Ｂと酸化剤ガス排出路５２とを介して、希釈器３２に空気を供給し、希釈器３２の水素を空気によって希釈し、希釈器３２の水素濃度を低下させる。
なお、パージ弁３０から希釈器３２にアノードオフガスを供給しない状態は、例えばパージ弁３０または遮断弁２３の閉状態などである。

次に、酸素欠乏発電工程として、例えば、封止弁開弁発電工程を実行する。この封止弁開弁発電工程では、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に空気を供給する状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁状態でコンタクタ３９を接続状態にする。そして、エアストイキを通常エアストイキよりも低下させて、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させつつ燃料電池スタック１１の発電を行なう。これによって、カソード１１Ｂの窒素濃度を増大させる。この封止弁開弁発電工程では、カソード１１Ｂから酸化剤ガス排出路５２を介して希釈器３２に僅かな空気が供給される。このとき、希釈器３２の水素は、酸素欠乏発電工程に先立って実行された掃気工程によってエアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂを介して希釈器３２に供給された空気と、封止弁開弁発電工程によってカソード１１Ｂから希釈器３２に僅かに供給される空気と、によって希釈される。

なお、エアストイキは、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される反応ガスとしての空気の理論消費量に対する供給量の比率を示し、通常エアストイキは、例えば燃料電池スタック１１の発電効率を優先させるようになどして設定されている。
この封止弁開弁発電工程においては、排気再循環ポンプ１９を駆動して、カソード１１Ｂから排出されたカソードオフガスの少なくとも一部をカソード１１Ｂに循環させてもよい。

次に、ステップＳ１６においては、閉弁発電工程として、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に空気を供給しない状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でコンタクタ３９を接続状態にして、燃料電池スタック１１の発電を行なう。これによって、燃料電池スタック１１から電気負荷への放電を行ない、燃料電池スタック１１の電圧を低下させる。なお、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に空気を供給しない状態は、例えばエアーコンプレッサー１３の停止状態などである。そして、ステップＳ１６の実行完了によって、燃料電池システム１０の停止は完了し、エンドに進む。

なお、上述したステップＳ１５においては、酸素欠乏発電工程として、封止弁開弁発電工程の代わりに、例えば、封止弁閉弁発電工程を実行してもよい。この封止弁閉弁発電工程では、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に空気を供給しない状態かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６の閉弁状態でコンタクタ３９を接続状態にして、燃料電池スタック１１の発電を行なう。これによって、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させるとともに、燃料電池スタック１１から電気負荷への放電を行ない、燃料電池スタック１１の電圧を低下させる。このとき、希釈器３２の水素は、酸素欠乏発電工程に先立って実行された掃気工程によってエアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂを介して希釈器３２に供給された空気によって希釈される。
この封止弁閉弁発電工程においては、排気再循環ポンプ１９を駆動して、カソード１１Ｂから排出されたカソードオフガスをカソード１１Ｂに循環させてもよい。また、上述したステップＳ１６は省略されてもよい。

また、ステップＳ１７においては、バイパス弁１８の開弁状態でエアーコンプレッサー１３を駆動する。これによって、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に供給された空気の少なくとも一部を、バイパス路５３に分岐させ、カソード１１Ｂを迂回するようにして、順次、バイパス路５３と酸化剤ガス排出路５２とを介して、希釈器３２に供給する。

次に、ステップＳ１８においては、封止入口弁１５および封止出口弁１６のうち少なくとも封止出口弁１６を閉弁状態とし、ＥＧＲ発電を実行する。このＥＧＲ発電では、排気再循環ポンプ１９を駆動してカソードオフガスをカソード１１Ｂに循環させ、コンタクタ３９を接続状態にして、燃料電池スタック１１の発電を行なう。これによって、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させ、窒素濃度を増大させるとともに、燃料電池スタック１１から電気負荷への放電を行ない、燃料電池スタック１１の電圧を低下させる。このとき、封止入口弁１５の開弁状態によって、エアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂに供給される空気の所定圧力を確保しつつ、バイパス弁１８の開弁状態によって、カソード１１Ｂに供給される空気の圧力が過剰になることを防止する。さらに、バイパス弁１８の開弁状態によって、エアーコンプレッサー１３からバイパス路５３を介して希釈器３２に供給される空気によって、希釈器３２の水素を希釈する。そして、ステップＳ１８の実行完了によって、燃料電池システム１０の停止は完了し、エンドに進む。

上述したように、本実施形態による燃料電池システム１０の制御方法によれば、起動信号または停止信号を受信した後に、通常の起動処理または停止処理を実行することに先立って、バイパス弁１８の異常の有無を検知する。これによって、バイパス弁１８の異常時には通常の起動処理または停止処理とは異なる適切な制御を行なうことができる。バイパス弁１８の異常として開弁状態にならずに閉弁状態が維持される閉故障を検知した場合であっても、エアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂに供給される空気の圧力が過大になることを防止することができる。

さらに、燃料電池システム１０の起動時におけるバイパス弁１８の閉故障時に、封止入口弁１５および封止出口弁１６の開弁を指示してから開弁が完了するまでの期間に亘って、空気の流量を所定値以下に規制する。これによって、エアーコンプレッサー１３と封止入口弁１５または封止出口弁１６との間で空気の圧力が過大になることを防止することができる。
さらに、先ず空気供給工程によって、アノード１１Ａに比べて水素濃度が低いカソード１１Ｂの雰囲気を空気によって置換し、希釈器３２の空気濃度を増大させた後に、アノードパージ工程の実行を許可する。これによって、アノードパージ工程でアノード１１Ａから希釈器３２に排出される水素によって希釈器３２の水素濃度が増大することを抑制することができる。
さらに、空気供給工程においてエアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に供給される空気の流量を、バイパス弁１８の閉故障が検知されていない場合に比べて、所定流量だけ増量する。これによって、希釈器３２への空気の供給量が低下することを抑制し、空気による所望の希釈を行なうことができる。

さらに、燃料電池システム１０の停止時におけるバイパス弁１８の閉故障時に、酸素欠乏発電工程を実行することによって、カソード１１Ｂの空気の圧力が過大になることを防止することができる。
さらに、先ず希釈工程によって、希釈器３２の空気濃度を増大させた後に、燃料電池スタック１１の発電を実行する。これによって、燃料電池スタック１１の発電時に、エアーコンプレッサー１３から希釈器３２に空気を供給することができない、または僅かな空気しか供給することができない場合であっても、アノード１１Ａから希釈器３２に排出された水素によって希釈器３２の水素濃度が増大することを抑制することができる。
さらに、閉弁発電工程を実行することによって、カソード１１Ｂに空気が供給されることを防止し、カソード１１Ｂの酸素濃度が増大することを防止することができる。

なお、上述した実施形態においては、バイパス弁１８は、バイパス路５３を開閉可能としたが、開閉弁に限らず、バイパス路５３を開度調整可能な調圧弁などであってもよい。

以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１Ａ アノード
１１Ｂ カソード
１３ エアーコンプレッサー（空気供給手段）
１５ 封止入口弁（封止弁）
１６ 封止出口弁（封止弁）
１８ バイパス弁
２１ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２ 水素供給弁（燃料ガス供給手段）
３０ パージ弁
３２ 希釈器（希釈手段）
３９ コンタクタ（断接手段）
４１ 制御装置
５１ 酸化剤ガス供給路
５２ 酸化剤ガス排出路
５３ バイパス路
５５ 燃料ガス供給路
５６ 燃料ガス排出路

Claims (8)

1. アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、
   前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
   前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路と、
   前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路と、
   前記酸化剤ガスとして空気を前記酸化剤ガス供給路に供給する空気供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とを接続し、前記カソードを迂回して前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路から前記酸化剤ガス排出路に通流させるバイパス路と、
   前記バイパス路を開度調整可能なバイパス弁と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムの起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を受信する信号受信工程と、
   前記信号受信工程によって前記起動信号または前記停止信号を受信した後に、所定流量の前記空気を供給するように前記空気供給手段を駆動する駆動工程と、
   前記駆動工程における前記空気供給手段の駆動時に前記バイパス弁の異常の有無を検知する検知工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給路および前記酸化剤ガス排出路を開閉可能であって前記燃料電池の前記カソードを封止可能な封止弁を備え、
   前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記封止弁の開弁を指示する開弁信号を出力する開弁信号出力工程と、
   前記開弁信号出力工程によって前記開弁信号を出力した後に、前記封止弁の開弁が完了するまでの期間に亘って、前記空気供給手段から前記酸化剤ガス供給路に供給される前記空気の流量を所定値以下に規制する流量規制工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
3. 前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、前記燃料ガス排出路および前記酸化剤ガス排出路に接続されて前記燃料ガスを前記空気によって希釈する希釈手段と、前記燃料電池と前記希釈手段との間で前記燃料ガス排出路を開閉可能なパージ弁と、を備え、
   前記パージ弁から前記希釈手段に前記燃料ガスを供給しない状態かつ前記封止弁の開弁状態で前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路を介して前記カソードに前記空気を供給する空気供給工程と、
   前記パージ弁の開弁状態で前記燃料ガス供給手段によって前記アノードに前記燃料ガスを供給するアノードパージ工程と、を含み、
   前記信号受信工程によって前記起動信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記アノードパージ工程の実行に先立って前記空気供給工程を実行し、前記空気供給工程の実行完了後に前記アノードパージ工程の実行を許可する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法。
4. 前記信号受信工程によって前記起動信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記バイパス弁の異常を検知しなかった場合に比べて、前記空気供給工程での前記空気の流量を増量する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法。
5. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能な断接手段を備え、
   前記信号受信工程によって前記停止信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路に前記空気を供給しない状態かつ前記封止弁の閉弁状態で前記断接手段を接続状態にして、前記燃料電池の発電を行なう封止弁閉弁発電工程を含む、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４の何れか１つに記載の燃料電池システムの制御方法。
6. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能な断接手段を備え、
   前記信号受信工程によって前記停止信号を受信した場合の前記検知工程によって前記バイパス弁の異常を検知した場合に、前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路に前記空気を供給する状態かつ前記封止弁の開弁状態で前記断接手段を接続状態にして、前記カソードの酸素濃度を低下させつつ前記燃料電池の発電を行なう封止弁開弁発電工程を含む、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４の何れか１つに記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、前記燃料ガス排出路および前記酸化剤ガス排出路に接続されて前記燃料ガスを前記空気によって希釈する希釈手段と、を備え、
   前記燃料電池の発電に先立って、前記封止弁の開弁状態で前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路と前記カソードと前記酸化剤ガス排出路とを介して前記希釈手段に前記空気を供給する掃気工程を含む、
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記封止弁開弁発電工程の実行完了後に前記空気供給手段によって前記酸化剤ガス供給路に前記空気を供給しない状態かつ前記封止弁の閉弁状態で前記断接手段を接続状態にして、前記燃料電池の発電を行なう閉弁発電工程を含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。

Images