JP5092273B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関し、特に氷点下等の極低温時に必要以上に駆動が制限されない燃料電池およびその制御方法に関する。

燃料電池は電解質膜を燃料極と酸化剤極によって挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
燃料極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。

このような燃料電池車両用の燃料電池を含む燃料電池システムでは、氷点下以下などの温度条件において一定の時間運転が停止されると、燃料電池システム内に残留した水がバルブやポンプ等で凍結する場合があり、調圧弁（圧力調整弁）を用いた燃料電池システムでは、調圧弁が閉じた状態で凍結したり、調圧弁を閉じたときに氷を噛み込んだりして、調圧弁が正常に作動しなくなったり破損してしまうことがあった。

このため、従来の燃料電池車両用の燃料電池システムでは、調圧弁の周辺部等が凍結するかどうかを温度によって判定し、凍結する可能性があると判定された場合には、調圧弁の開度が所定開度以下になるのを禁止したり調圧弁の開度が一定となるようにして、調圧弁が正常に作動しなくなったり破損したりするのを防止していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３１１２８８号公報

しかし、従来の燃料電池システムでは（例えば、特許文献１参照）、調圧弁の周辺部等に水分がなければ上記のような不具合が起こらないにもかかわらず、所定温度以下になると開度制限がかかってしまうため、運転圧を上げることができる状態でも不必要に調圧弁の開度が制限され、高圧運転による高出力が出せなくなるという問題点があった。

また、一般的に温度だけを基準に調圧弁の開度制限を行うと、閾値の温度マージンが必要となるため、調圧弁の周辺部等が実際に凍結していない場合にも開度制限がかかってしまうことがあるという問題点もあった。

本発明は、圧力調整弁の周辺部等に水分がなかったり、実際に凍結していないときでも不必要に圧力調整弁の開度制限を行うことを回避することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出される未利用の前記酸化剤ガスが流れる流路に設けられ、前記燃料電池の酸化剤極の圧力を調整する圧力調整弁と、この圧力調整弁の開度を検出する開度検出手段と、この開度検出手段が検出した検出値に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御する弁開度制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記弁開度制御手段は、前記燃料電池が起動されたときに前記圧力調整弁を閉じる動作を行い、この圧力調整弁を閉じる動作が行われたときに前記圧力調整弁が動かなくなったときの閉位置開度を前記開度検出手段により検出して、そのときの検出値が所定値以上である場合に、前記圧力調整弁を一定の開度に維持し、維持した状態で前記酸化剤極と前記燃料極との差圧が所定値を超える場合は、前記酸化剤ガス供給手段の流量を下げることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムでは、弁開度制御手段が、燃料電池が起動されたときに圧力調整弁を閉じる動作を行い、圧力調整弁が動かなくなったときの閉位置開度を開度検出手段によって検出して、すなわち閉位置確認を実施して、その検出値が所定値以上である場合に、弁開度制御手段が、圧力調整弁が凍結により動作不良の状態にあると判断して、圧力調整弁を一定の開度に維持するか、または前記燃料電池の駆動を禁止する。このため、温度のみを基準とした場合のように、圧力調整弁の周辺部等に水分がなかったり、実際に凍結していないときでも不必要に圧力調整弁の開度制限を行うことを回避することができ、早期から高出力を得ることが可能となる。

以下、本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。本発明に係る燃料電池システムは燃料電池１を備え、この燃料電池１は酸化剤極１ａおよび燃料極１ｂを有する。また図１には図示していないが、燃料電池１の内部には空気（酸化剤ガス）の流れる空気流路、燃料ガスとしての水素が流れる燃料流路、冷却水の流れる冷却水流路や、水素と空気中の酸素を反応させて発電を行うための電解質膜等が設けられている。

コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）２は、燃料電池１の酸化剤極１ａに空気を送り込むためのものであり、例えば酸化剤極１ａの上流側に設けられている。また、燃料電池１の酸化剤極１ａから排出される未利用の空気が流れる流路には、この燃料電池１の酸化剤極１ａの圧力を調整するための圧力調整弁３が設けられている。この圧力調整弁３は、例えば電動モータで駆動される構成であり、コントローラ（弁開度制御手段）４からの信号に応じて開度を変更できるようになっている。

スロットルポジションセンサ（開度検出手段）５は、圧力調整弁３の開度を検出してコントローラ４に送り、コントローラ４は、スロットルポジションセンサ５が検出した検出値に基づいて圧力調整弁３の開度を制御する。温度センサ（温度検出手段）６は、圧力調整弁３の温度を検出するためのものであり、後述する制御に使用される。

酸化剤極１ａには、酸化剤極圧力センサ（酸化剤極圧力検出手段）７が設けられており、酸化剤極圧力センサ７は、酸化剤極１ａの圧力を検出する。なお本実施形態では、酸化剤極圧力センサ７が酸化剤極１ａの内部に設けられているものとするが、例えば酸化剤極圧力センサ７を酸化剤極１ａの上流側、または酸化剤極１ａと圧力調整弁３の間に設けるようにしてもよい。

酸化剤極圧力センサ７の検出信号はコントローラ４に送られ、この検出信号が所定の目標値となるように圧力調整弁３の開度を制御する。なお、酸化剤極圧力センサ７の検出信号が所定の目標値となるよう圧力調整弁３の開度を制御するために、圧力フィードバック回路（図示せず）を構成することができる。

また圧力調整弁３の近傍には、ヒータ（圧力調整弁加熱手段）８が設けられており、コントローラ４からの指示により圧力調整弁３を加熱するようになっている。

水素タンク９は、燃料ガスである水素を圧縮状態で収容しており、燃料極圧力調整弁（燃料極圧力調整手段）１０は、燃料極１ｂに設けられた燃料極圧力センサ（燃料極圧力検出手段）１１の検出信号に基づいてコントローラ４が計算した開度に調整されることで、燃料極１ｂ側の圧力を目標圧力に調整することができる。なお燃料極１ｂ側の圧力を目標圧力に調整するために、フィードバック回路を構成することができる。

二次電池１２は、燃料電池１が発電した電力の余剰分等を蓄えるものであり、燃料電池１の発電量が不足している場合などに電力を供給する。電力供給制御コントローラ（電力供給制御手段）１３は、二次電池１２と燃料電池１から供給される電力を制御するものであり、例えばモータ１４で必要な電力を二次電池１２から供給したり、燃料電池１からの供給に切り換えたり、燃料電池１で発電された電力を二次電池１２へ供給して充電するなどの制御を行う。

またコントローラ４には、燃料電池システムの準備が完了して所定の条件が整ったときに運転者に運転開始許可を出す運転開始ランプ（運転開始許可出力手段）１５が接続されている。

図２は、圧力調整弁３の周辺部を拡大した拡大断面図である。燃料電池１の酸化剤極１ａから排出される未利用の空気が流れる流路に設けられた圧力調整弁３は、例えば温度が２０℃程度の状態で閉じられたときには、図２(ａ)の３Ａに示すような完全な閉状態となる。しかし、例えば氷点下等の極低温時に図２（ｂ）に示すような氷塊１６が圧力調整弁３の近傍にできているときには、図２（ｂ）の３Ｂに示すように圧力調整弁３が完全に閉まらない場合がある。本実施形態では、このような場合に例えば図２(ａ)の３Ｃに示すようなデフォルト位置に圧力調整弁３を固定する。これは換言すれば、圧力調整弁３を一定の開度に維持するということである。なお本実施形態では、圧力調整弁３が完全な閉状態であるかどうかを判断するのはスロットルポジションセンサ５の感度等から実質的に不可能なため、圧力調整弁３が図２（ａ)の斜線部Ｄに示すように微小開度より小さい場合に圧力調整弁３が正常に閉じられていると判断する。また図２（ｂ）の３Ｂに示すように圧力調整弁３が閉まらない状態では、圧力調整弁３が凍結により動作不良の状態にあると判断する。

図３は、本発明の燃料電池システムの制御の流れを示す制御ブロック図である。なお図３に示す各種手段は、例えばコントローラ４や電力供給制御コントローラ１３に内蔵されたＣＰＵ、ハードディスク等の記憶手段およびこの記憶手段に記憶されたプログラム等と、その他の燃料電池システムの部品から構成・実施されるものとする。

まず閉位置確認指示手段２０で、閉位置確認を行うタイミングを閉位置確認手段２１へ知らせ、その知らせに応じて閉位置確認手段２１は圧力調整弁３の閉位置確認を行う。具体的には、コントローラ４が、燃料電池１が起動されたときに圧力調整弁３を閉じる動作を行い、その際、スロットルポジションセンサ５が、圧力調整弁３が動かなくなったときの閉位置開度を検出する。

その検出値を用いて一定開度運転実施判断手段２２は、圧力調整弁３が凍結により動作不良の状態にあるかどうかを判断し、凍結による動作不良であると判断された場合には、一定開度運転手段２３で圧力調整弁３の一定開度運転を行うとともに、加熱手段２４（ヒータ８）で圧力調整弁３を解凍する。具体的には、圧力調整弁３が凍結により動作不良の状態にあると判断された場合に、圧力調整弁３を一定の開度に維持し、解凍を行う。なお、圧力調整弁３を一定の開度に維持する代わりに、燃料電池１の駆動を禁止するようにしてもよい。また閉位置確認を実行中で空気流量が所定流量以下に制限されているとき（後述する）に高負荷要求があった場合には、二次電池アシスト手段２５により二次電池１２から電力を供給できるようになっている。

図４は、図３に示した制御ブロック図に示した閉位置確認指示手段２０の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。

まず、運転者が燃料電池１の起動を指示したときに１となるフラグＦＳＴＡＴが１であるか否かを判定する（ステップ１）。ＦＳＴＡＴが１であれば起動が指示された直後であると判断し、圧力調整弁３が凍結状態であることを示すＦＦＲＥＥＺＥを１として、一旦凍結状態であることとし、さらに圧力調整弁３の閉位置確認を行うための閉位置確認許可フラグＦＳＨＵＴを１とする。ＦＳＨＵＴは、１で閉位置確認することを示し、０でしないことを示すフラグとなっている。また後述する一定開度運転手段２３で使用する空気流量最大値ＭＡＸＱＡを一旦ＳＬＭＡＸＱＡ１に制限する。ここでＳＬＭＡＸＱＡ１は、この流量を酸化剤極１ａに流したとしても酸化剤極１ａの圧力が酸化剤極１ａと燃料極１ｂの限界差圧ＭＡＸＤＰ（後述する）の２倍以下となる流量であり、例えば実験的に事前に確認して設定する。さらにＦＳＴＡＴをゼロにして以後、次回の起動まで上記の操作を行わないようにする（ステップ２）。ステップ１でＦＳＴＡＴが０であると判定された場合にはステップ２をスキップする。

次に、運転者に運転開始許可を出すのにあとは閉位置確認を残すのみである場合に１となるフラグＦＲＥＡＤＹ１が１であり、且つ１の場合に凍結状態であることを示すフラグＦＦＲＥＥＺＥが１であるか否かを判定し（ステップ３）、そうであれば運転者に運転開始を許可する直前に凍結が解除されたか否かを確認するためにＦＳＨＵＴを１として閉位置確認を行うことを宣言し、且つ空気流量を所定流量以上としないためにコンプレッサ２の回転数最大値ＭＡＸＮＣをＳＬＭＡＸＮＣ１に制限する（ステップ４）。ここでＳＬＭＡＸＮＣ１は、閉位置確認のため一瞬圧力調整弁３が完全に閉じた状態になったとしても酸化剤極１ａの圧力上昇が急激に起こらず、圧力調整に破綻をきたさないレベルの流量を実験的に求めて決定すればよい。なおステップ４において、コンプレッサ２の回転数最大値ＭＡＸＮＣをＳＬＭＡＸＮＣ１に制限する代わりに、コンプレッサ２の回転数を０に設定するようにしてもよい。ステップ３においてＮｏである場合には、ステップ４をスキップする。

次に、前回の閉位置確認から所定時間経過したかを判定する（ステップ５）。閉位置確認の結果、圧力調整弁３が凍結していると判断された場合には、ヒータ８等による解凍が必要なため、ある程度の時間が必要となる。ステップ５を設ける理由は、あまり頻繁に閉位置確認を行っても、その他の制御のための電力を制限してしまうためである。ステップ５において所定時間が経過していないと判断された場合には、処理を終了する。

ステップ５において前回の閉位置確認から所定時間が経過していると判断された場合には、現在のコンプレッサ２の実回転数ＮＣがＳＬＭＡＸＮＣ１より小さく閉位置確認を行っても酸化剤極１ａの圧力調整に破綻をきたさない状態であり、且つ圧力調整弁３が凍結状態（ＦＦＲＥＥＺＥ＝１）であるか否かを判断する（ステップ６）。そしてステップ６においてＹｅｓの場合には、ＦＳＨＵＴを１として閉位置確認を行うことを宣言し、且つその後に運転条件が変わってコントローラ４から空気流量の増量要求が出たとしても空気流量を所定流量以上としないためにコンプレッサ２の回転数最大値ＭＡＸＮＣをＳＬＭＡＸＮＣ１に制限する（ステップ７）。ステップ６でＮｏとなった場合は、現在の運転条件で閉位置確認を行うと酸化剤極１ａの圧力が急増して圧力調整に破綻をきたす恐れがあるため、閉位置確認を行わずに処理を終了する。

図４に示す処理において、ステップ１とステップ２は燃料電池１の起動直後に閉位置確認を行うためのステップであり、ステップ３とステップ４は起動直後に凍結による動作不良があるため、運転開始許可を出す前に閉位置確認を行うステップであり、ステップ５から７は運転開始後も凍結による動作不良がある場合に適切なタイミングで閉位置確認を行うためのステップである。

図５は、図３に示した制御ブロック図に示した閉位置確認手段２１の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。

まず、閉位置確認指示手段２０で設定される閉位置確認許可フラッグＦＳＨＵＴが許可（１）か不許可（０）かを判定し（ステップ１１）、不許可であればステップ１８までスキップし、許可であれば例えば駆動する電流ＶＩを閉側の最大値ＭＡＸＶＩとして最大のトルクで圧力調整弁３を閉じる動作を行う（ステップ１２）。

そして、スロットルポジションセンサ５の検出値Ｖ０が所定の開度ＳＬＭＩＮＶ０を下回っているか否かを判断し（ステップ１３）、下回っていれば圧力調整弁３が凍結していないと判断して、凍結状態であることを示すフラグＦＦＲＥＥＺＥを０として凍結していないことを宣言するとともに、圧力調整弁３が閉位置開度のときの検出値ＭＩＮＶをＶ０とする（ステップ１４）。なおそれ以後の圧力調整弁３の制御は、このＭＩＮＶに基づいて行われる。ステップ１３において、スロットルポジションセンサ５の検出値Ｖ０が所定の開度ＳＬＭＩＮＶ０以上である場合には、まだ凍結による動作不良が継続していると判断してステップ１４をスキップする。

その後、閉位置確認許可フラグＦＳＨＵＴを０として閉位置確認を完了したことを宣言するとともに、コンプレッサ２の低回転数制限を解除するためにＭＡＸＮＣをＳＬＭＡＸＮＣに変更する。ここで、ＳＬＭＡＸＮＣ＞ＳＬＭＡＸＮＣ１であり、ＳＬＭＡＸＮＣはコンプレッサ２の危険回転数に対して十分低いが、定格発電が可能な回転数に設定するのが望ましい。さらに圧力調整弁３の駆動電流ＶＩを、通常運転時においてＰＩＤ制御の結果などから算出される目標電流値ＴＧＶＩとする（ステップ１５）。例えば、圧力調整弁３を一定開度運転とし、その開度がデフォルト位置である場合にはＴＧＶＩはゼロとなる。

次に、ＦＲＥＡＤＹ１が１であるか否か、すなわち閉位置確認を行ったか否かを判定し（ステップ１６）、ＦＲＥＡＤＹ１が１である場合には運転者に運転開始許可を出すことを示すフラグＦＲＥＡＤＹを１として、運転開始ランプ１５を点灯させる（ステップ１７）。

それから、温度センサ６の出力ＴＥＭＰＶが所定温度ＳＬＴＥＭＰＶを超えているか否かを判定する（ステップ１８）。ＳＬＴＥＭＰＶは、例えば０℃付近に設定され圧力調整弁３が解凍されているかどうかを判定できる温度となっている。ステップ１８において温度センサ６の出力ＴＥＭＰＶが所定温度ＳＬＴＥＭＰＶを超えていると判定された場合には、解凍が完了したとして凍結状態であることを示すフラグＦＦＲＥＥＺＥを０とするとともに、圧力調整弁３の閉位置開度のときの検出値を前回検出した検出値ＯＬＤＭＩＮＶとして（ステップ１９）処理を終了する。なおステップ１９では、ＭＩＮＶをＯＬＤＭＩＮＶとして解凍の宣言（ＦＦＲＥＥＺＥ＝０）を行っているが、例えば閉位置確認を再度行って精度の高い圧力調整を行えるようにしてもよい。また、ＴＥＭＰＶは温度センサ６の値であるとしたが、例えば外気温や冷却水の温度、または燃料電池１の起動からの経過時間などのパラメータを用いるようにしてもよい。

図６は、図３に示した制御ブロック図に示した一定開度運転手段２３および加熱手段２４の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。

まず、ＦＦＲＥＥＺＥが１（凍結による動作不良の状態）か０（正常な動作状態）かを判定し（ステップ２１）、１であれば圧力調整弁３を加熱・解凍するためにＦＨＥＡＴＥＲを１としてヒータ８を駆動させる。さらに燃料極１ｂの圧力の上限ＭＡＸＨＰを、燃料電池１が正常に駆動する燃料極１ｂと酸化剤極１ａの限界差圧ＭＡＸＤＰに制限するとともに、燃料極１ｂの圧力の目標値ＴＧＨＰを、酸化剤極圧力センサ７の検出圧力であるＡＰとする（ステップ２２）。

そして酸化剤極１ａの圧力ＡＰが、燃料電池１が正常に駆動する燃料極１ｂと酸化剤極１ａの限界差圧ＭＡＸＤＰの２倍から所定量ＤＡＰ差し引いた値を超えているかどうかを判定し（ステップ２３）、超えていれば酸化剤極１ａの圧力を低下させるために空気流量最大値ＭＡＸＱＡを所定差分ＤＱＡだけ差し引いた値に入れ替える（ステップ２４）。ＭＡＸＱＡは、閉位置確認指示手段２０によって、燃料電池１が正常に駆動する燃料極１ｂと酸化剤極１ａの限界差圧ＭＡＸＤＰの２倍以下に設定されているが、例えば大きな氷塊等が圧力調整弁３の近傍にあると酸化剤極１ａの圧力が上がってしまうためステップ２３において再度圧力調整を行うようにしている。なお本実施形態では、空気流量を下げる制御のみを行っているが、下がりすぎた場合は空気流量を上げる制御を行うようにしてもよい。

ステップ２１において圧力調整弁３が正常な動作状態にあると判断された場合には、圧力調整弁３の加熱を停止するためにＦＨＥＡＴＥＲを０とする。また燃料極１ｂの圧力の上限ＭＡＸＨＰを定格出力が取り出せる圧力以上であり、且つ燃料電池１の耐圧限界値以下であるＳＬＭＡＸＨＰ（＞ＭＡＸＤＰ）とするとともに、空気流量最大値ＭＡＸＱＡも定格出力の取り出しが可能であり、異常流量以下であるＳＬＭＡＸＱＡとすることで低流量制限を解除する（ステップ２５）。なお図６には図示していないが、圧力調整弁３が正常な動作状態にあると判断された場合の燃料極１ｂの圧力目標値ＴＧＨＰは、酸化剤極１ａの圧力にあわせてもよいし、運転者の出力要求に応じた圧力にしてもよい。

図７は、図６に示す制御における酸化剤極１ａと燃料極１ｂの圧力の変化の例を示すグラフである。なお図７において細線は酸化剤極１ａの圧力を示し、太線は燃料極１ｂの圧力を示している。

図７のＡの領域では、酸化剤極１ａの圧力と燃料極１ｂの圧力がともに限界差圧ＭＡＸＤＰ以下であり、燃料極１ｂの圧力が酸化剤極１ａの圧力と同じとなるように調整されている。しかし図７のＢの領域では、酸化剤極１ａの圧力が限界差圧ＭＡＸＤＰを超えてしまうため、燃料極１ｂの圧力は限界差圧ＭＡＸＤＰに制限される。図７のＣの領域では、酸化剤極１ａの圧力が急激に下がり、燃料極１ｂの圧力調整が間に合わず追従できなくなっている。しかし図６に示す制御では、燃料極１ｂの圧力の上限ＭＡＸＨＰを限界差圧ＭＡＸＤＰに制限するとともに、酸化剤極１ａの圧力ＡＰを限界差圧ＭＡＸＤＰの２倍以下に制限しているため、例えば図７のＣの領域のように圧力の急激な変化があったときでも酸化剤極１ａと燃料極１ｂの圧力差が、燃料電池１が正常に駆動する燃料極１ｂと酸化剤極１ａの限界差圧ＭＡＸＤＰを超えることがない。このような制御を行うのは、燃料電池１の運転中の出力要求が急激に低下した場合や、酸化剤極１ａにできた氷塊の離脱などによって酸化剤極１ａの圧力が急激に低下した場合でも、酸化剤極１ａと燃料極１ｂの圧力差が限界差圧ＭＡＸＤＰを超えないようにし、電解質膜が破れること等を防止するためである。なお、閉位置確認を行う際に酸化剤ガスの流量を制限するのも同様の理由による。

図８は、図３に示した制御ブロック図に示した二次電池アシスト手段２５の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。

まず、閉位置確認を実行中（ＦＳＨＵＴ＝１）であるか否かを判断し（ステップ３１）、実行中でなければ二次電池１２によるアシストは不要と判断して処理を終了する。ステップ３１において閉位置確認を行っていると判断された場合には、例えばモータ１４で要求されている出力ＴＧＷが所定値ＳＬＴＧＷを超えているか否かを判断する（ステップ３２）。ここでＳＬＴＧＷは、空気流量をＳＬＭＡＸＮＣ１まで制限しても発電が行える電力付近に設定されている。これにより、現在の出力要求値が燃料電池１だけでまかなえるのか、二次電池１２のアシストが必要なのかを判定することが可能となる。出力ＴＧＷが所定値ＳＬＴＧＷを超えていなければ、二次電池１２のアシストが不要であると判断して処理を終了する。出力ＴＧＷが所定値ＳＬＴＧＷを超えていれば、二次電池１２のアシスト量ＢＡＴＷを要求されている出力ＴＧＷと所定値ＳＬＴＧＷの差として算出するとともに、燃料電池１の発電量をＳＬＴＧＷとして算出する（ステップ３３）。この結果に基づいて電力供給制御コントローラ１３は、二次電池１２から取り出す電力と燃料電池１から取り出す電力を制御してモータ１４を駆動する。

本実施形態では、コントローラ（弁開度制御手段）４が、燃料電池１が起動されたときに圧力調整弁３を閉じる動作を行い、そのときスロットルポジションセンサ（開度検出手段）５が、圧力調整弁３が動かなくなったときの閉位置開度を検出して、すなわち閉位置確認を実施して、その検出値が所定値以上である場合に、コントローラ４が、圧力調整弁３が凍結により動作不良の状態にあると判断して、圧力調整弁３を一定の開度に維持する。このため、温度のみを基準とした場合のように、圧力調整弁３の周辺部等に水分がなかったり、実際に凍結していないときでも不必要に圧力調整弁３の開度制限を行うことを回避することができ、早期から高出力を得ることが可能となる。

なお本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、温度センサ６やヒータ８は必ずしも設ける必要はない。また、図４から図６および図８に示した制御内容は例示的なものであり、場合に応じて変更することが可能である。

本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法は、氷点下等の極低温時以外における圧力調整弁の動作不良を回避するためにも用いることもできる。

本発明に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 圧力調整弁３の周辺部を拡大した拡大断面図である。 本発明の燃料電池システムの制御の流れを示す制御ブロック図である。 図３に示した制御ブロック図に示した閉位置確認指示手段２０の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。 図３に示した制御ブロック図に示した閉位置確認手段２１の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。 図３に示した制御ブロック図に示した一定開度運転手段２３および加熱手段２４の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。 図６に示す制御における酸化剤極と燃料極の圧力の変化の例を示すグラフである。 図３に示した制御ブロック図に示した二次電池アシスト手段２５の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ 酸化剤極
１ｂ 燃料極
２ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３ 圧力調整弁
４ コントローラ（弁開度制御手段）
５ スロットルポジションセンサ（開度検出手段）
６ 温度センサ（温度検出手段）
７ 酸化剤極圧力センサ（酸化剤極圧力検出手段）
８ ヒータ（圧力調整弁加熱手段）
９ 水素タンク
１０ 燃料極圧力調整弁（燃料極圧力調整手段）
１１ 燃料極圧力センサ（燃料極圧力検出手段）
１２ 二次電池
１３ 電力供給制御コントローラ（電力供給制御手段）
１４ モータ
１５ 運転開始ランプ（運転開始許可出力手段）
２０ 閉位置確認指示手段
２１ 閉位置確認手段
２２ 一定開度運転実施判断手段
２３ 一定開度運転手段
２４ 加熱手段
２５ 二次電池アシスト手段

Claims (11)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池から排出される未利用の前記酸化剤ガスが流れる流路に設けられ、前記燃料電池の酸化剤極の圧力を調整する圧力調整弁と、
   この圧力調整弁の開度を検出する開度検出手段と、
   この開度検出手段が検出した検出値に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御する弁開度制御手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記弁開度制御手段は、前記燃料電池が起動されたときに前記圧力調整弁を閉じる動作を行い、この圧力調整弁を閉じる動作が行われたときに前記圧力調整弁が動かなくなったときの閉位置開度を前記開度検出手段により検出して、そのときの検出値が所定値以上である場合に、前記圧力調整弁を一定の開度に維持し、維持した状態で前記酸化剤極と前記燃料極との差圧が所定値を超える場合は、前記酸化剤ガス供給手段の流量を下げることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記圧力調整弁を加熱する圧力調整弁加熱手段を備え、この圧力調整弁加熱手段は、前記開度検出手段により検出された検出値が所定値以上である場合に、前記圧力調整弁を加熱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。
3. 前記酸化剤極の圧力を検出する酸化剤極圧力検出手段と、前記燃料電池の燃料極の圧力を検出する燃料極圧力検出手段と、前記燃料極の圧力を調整する燃料極圧力調整手段とを備え、前記開度検出手段により検出された検出値が所定値以上であり、前記圧力調整弁が一定の開度に維持されているときに、前記燃料極圧力調整手段は、前記酸化剤極圧力検出手段および前記燃料極圧力検出手段の検出信号に基づいて、前記燃料極の圧力が前記酸化剤極の圧力と同じになるように前記燃料極の圧力を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料極圧力調整手段は、前記燃料極の圧力が、前記燃料電池が正常に駆動する前記燃料極と前記酸化剤極の限界差圧以内となるように前記燃料極の圧力を調整し、前記弁開度制御手段は、前記酸化剤極の圧力を前記限界差圧の２倍以内となるように前記圧力調整弁の開度を制御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。
5. 前記圧力調整弁の温度を検出する温度検出手段を備え、前記弁開度制御手段は、前記温度検出手段が前記圧力調整弁の温度を所定温度以上であると検出したときに、前回検出された前記閉位置開度に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記開度検出手段は、前記酸化剤ガスの流量が所定流量以下のときに前記閉位置開度を検出し、前記弁開度制御手段は、検出された前記閉位置開度が所定値よりも小さい場合には、この閉位置開度に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池が発電した電力の一部を蓄える二次電池と、この二次電池と前記燃料電池から供給される電力を制御する電力供給制御手段とを備え、前記弁開度制御手段は、前記閉位置開度の検出を行っている間、前記酸化剤ガスの流量が増えないように前記圧力調整弁の開度を制御し、前記電力供給制御手段は、前記閉位置開度の検出を行っている間、出力要求に対して燃料電池の発電電力が不足した場合に、不足電力を前記二次電池から供給するよう制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 所定の条件が整ったときに運転者に運転開始許可を出す運転開始許可出力手段を備え、前記開度検出手段は、前記運転開始許可出力手段が運転者に運転開始許可を出す所定時間前に前記閉位置開度の検出を行い、前記弁開度制御手段は、検出された前記閉位置開度が所定値よりも小さい場合には、この閉位置開度に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 前記弁開度制御手段は、前記閉位置開度の検出を行うときに、前記酸化剤ガスの流量が所定流量以下となるように前記圧力調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記開度検出手段は、前記酸化剤ガス供給手段が停止しているときに前記閉位置開度の検出を行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    前記燃料電池から排出される未利用の前記酸化剤ガスが流れる流路に設けられ、前記燃料電池の酸化剤極の圧力を調整する圧力調整弁と、
    この圧力調整弁の開度を検出する開度検出手段と、
    この開度検出手段が検出した検出値に基づいて前記圧力調整弁の開度を制御する弁開度制御手段と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、
    （１）前記燃料電池が起動されたときに、前記弁開度制御手段が前記圧力調整弁を閉じる動作を行うステップと、
    （２）前記開度検出手段が、前記圧力調整弁を閉じる動作が行われたときに前記圧力調整弁が動かなくなったときの閉位置開度を検出するステップと、
    （３）前記ステップ（２）における検出値が所定値以上である場合に、前記弁開度制御手段が、前記圧力調整弁が凍結により動作不良の状態にあると判断して、前記圧力調整弁を一定の開度に維持し、維持した状態で前記酸化剤極と前記燃料極との差圧が所定値を超える場合は、前記酸化剤ガス供給手段の流量を下げるステップと、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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