WO2004102719A1

WO2004102719A1 - 燃料電池システムの運転制御

Info

Publication number: WO2004102719A1
Application number: PCT/JP2004/006361
Authority: WO
Inventors: Naohiro Yoshida; Tetsuya Bono; Kenji Kurita; Hiroaki Mori
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2004-11-25
Also published as: CN1802766A; US7638218B2; JP4929556B2; JP2004342386A; CN100377407C; US20060110640A1; DE112004000811T5

Abstract

本発明は、供給する水素の圧力が大気圧の変動に伴って変動することによる燃料電池システムへの影響を低減することを目的とする。燃料電池システム１００の制御ユニット６０は、水素ポンプ制御部６１、異常診断部６２、大気圧補正部６３を備えている。水素ポンプ制御部６１は、要求される出力に応じて水素ポンプ４５の回転数を設定する。異常診断部６２は、圧力センサ１２によって検出された圧力が所定の閾値内に収まるかどうかに基づき異常診断を行なう。大気圧補正部６３は、大気圧センサ１３によって検出した大気圧に応じて水素ポンプ４５の回転数や異常診断に用いる閾値を補正する。こうすることにより、レギュレータ２３の出力が大気圧の変動によって不安定になった場合でも、燃料電池スタック１０に供給する水素流量を補償し、異常診断における誤判定を抑制することが可能となる。

Description

明細書燃料電池システムの運転制御

技術分野

本発明は、燃料電池システムの運転を制御する技術に関する。背景技術

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行なう燃料電池システムがェネルギ源として注目されている。燃料電池システムは、発電のために水素の供給が必要となる。燃料電池システムに水素を供給する際には、例えば、減圧器を用いて、水素タンクに貯蔵された高圧水素を所定の圧力にまで減圧している。高圧水素を減圧するこうした減圧器としては、例えば、ダイヤフラム式のレギユレ一夕を用いることができる。特開 2 0 0 2— 7 5 4 1 8号公報には、ダイヤフラム室に入力する基準圧を大気圧にすると、水素ガスボンベに貯蔵された供給水素の二次側圧力を、大気圧近辺にまで減圧することができると記載されている。しかし、大気圧は燃料電池システムが設置される標高や気象条件に応じて変動するため、従来の燃料電池システムでは減圧器から出力される水素の圧力が不安定となる場合があった。水素の圧力が不安定になると、例えば、出力される電力も不安定になる恐れがあり、また、正常に燃料電池システムが稼働している場合であっても、安全装置などの働きにより、システムに異常が生じたと誤判定される場合がある。このような問題は、特に、燃料電池システムを車両や航空機、鉄道などの移動体に搭載する場合に問題であった。発明の開示

本発明は、このような課題を踏まえてなされたものであり、供給する水素の圧力が大気圧の変動に伴つて変動することによる燃料電池システムへの影響を低減することを目的としている。本発明の燃料電池システムを以下のように構成した。すなわち、

水素と酸素の供給を受けて電気化学反応により発電を行なう燃料電池スタックと、

前記燃料電池スタックに供給する水素を大気圧以上の圧力で貯蔵する水素夕ンクと、

前記水素夕ンクと前記燃料電池ス夕ックとを連通する水素供給配管と、前記水素供給配管の経路中に設けられ、前記水素タンクから前記燃料電池スタックに供給する水素の圧力を、大気圧を利用して減圧する減圧器と、

大気圧を検出する大気圧検出部と、

大気圧の変動に伴う前記減圧器における減圧性能の変動の影響を抑制するように、前記検出した大気圧に応じて前記燃料電池システムの制御に関する所定の制御量を変更する制御状態変更部と、を備えることを要旨とする。かかる燃料電池システムの発明に対応する方法発明は、

燃料電池システムの運転制御方法であって、

水素と酸素の供給を受けて電気化学反応により発電を行なう燃料電池スタックに供給する水素を大気圧以上の圧力で水素タンクに貯蔵しておき、

前記水素夕ンクから前記燃料電池ス夕ックに供給する水素の圧力を、前記水素タンクと前記燃料電池スタックとを連通する水素供給配管の経路中に設けられ、大気圧を利用して動作する減圧器を用いて減圧し、

前記減圧器に作用する大気圧を検出し、

大気圧の変動に伴う前記減圧器における減圧性能の変動の影響を抑制するように、前記検出した大気圧に応じて前記燃料電池システムの制御に関する所定の制御量を変更すること

を特徴としている。かかる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法によれば、大気圧の変動に伴う減圧器における減圧性能の変動の影響を抑制するように、燃料電池システムの制御における制御量を変更することができる。大気圧を利用して水素を減圧する減圧器としては、例えば、レギユレ一夕やリリーフ弁などを用いることができる。上記構成の燃料電池システムにおいて、

更に、前記水素供給配管の経路中に設けられ、前記減圧器と前記燃料電池ス夕ック間における水素の圧力を検出する水素圧力検出部と、

前記検出した水素の圧力と、前記制御量の一つである異常検出用の閾値とを比較することにより当該燃料電池システムの異常状態を診断する異常診断部と、を備え、

前記制御状態変更部は、前記大気圧の変化に応じて前記異常検出用の閾値を変更するものとしてもよい。このような構成であれば、燃料電池スタックに供給する水素圧力が大気圧の変動に伴って変動した場合であっても、異常診断部における異常状態の誤判定を抑制することが可能となる。また、上記構成の燃料電池システムにおいて、

更に、前記制御量は、前記燃料電池スタックに供給する水素の流量であり、前記制御状態変更部は、前記検出した大気圧に応じて前記水素の流量を変更するものとしてもよい。こうすることにより、大気圧の変動に伴う水素供給量の変動を補償することができるかかる構成の燃料電池システムにおいて、前記水素流量制御部は、

前記燃料電池スタックのアノードオフガス排出口と前記水素供給配管とを連通することにより、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを、前記水素供給配管中に還流する還流配管と、

前記還流配管の経路中に設けられ、前記アノードオフガスの圧力を昇圧するための水素ポンプと、

前記水素ポンプの駆動状態を制御する水素ポンプ制御部と、を備え、前記制御状態変更部は、前記検出した大気圧に応じて、前記水素ポンプの駆動状態を変更することにより、前記制御量である水素の流量を変更するものとしてもよい。このような構成であれば、アノードオフガス中に含まれる残留水素の循環量を大気圧に応じて制御することができるため、大気圧の変動に伴う水素供給量の変動を補償することができる。また、かかる構成の燃料電池システムにおいて、

更に、前記検出した大気圧に基づき、前記水素中に含まれる不純物の濃度を推定する不純物濃度推定部と、

前記推定した不純物の濃度に応じて前記水素ポンプの駆動状態を変更する水素ポンプ駆動変更部とを備えるものどしてもよい。こうすることにより、水素中に窒素や二酸化炭素などの不純物が含まれている場合に、これを推定することができ、不純物濃度に応じて水素の流量を変更することができる。例えば、不純物濃度が高まった場合、水素の循環量を増やすことにより水素の供給不足を補償することができる。このような制御は、特に、水素中に不純物が含まれている可能性の高いタイミング、例えば燃料電池システムの起動時に行なうと好適である。更に、不純物濃度の推定は、水素中に含まれる不純物の濃度を、当該燃料電池システムの停止後の経過時間と当該燃料電池システム起動時の前記検出した大気圧とから推定するものとしても良い。水素を用いる燃料電池における不純物濃度は、システム停止後の経過時間と大気圧により、精度良く推定することができる^ からである。例えば、燃料電池システムの停止後の経過時間が長いほど、また燃料電池システム起動時の大気圧が高いほど、不純物の濃度が高いと推定することも好適である。本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。また、本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成のほか、燃料電池システムの運転制御方法、燃料電池システムを搭載する移動体、燃料電池システムを搭載する移動体の制御方法などとしても構成することができる。いずれの構成においても上述した各態様を適宜適用可能である。図面の簡単な説明

図 1は、燃料電池システム 1 0 0の概略構成を示す説明図である。

図 2は、水素ポンプ 4 5の制御方法を示す説明図である。

図 3は、異常状態の診断方法を示す説明図である。

図 4は、レギユレ一夕 2 3の動作原理を示す説明図である。

図 5は、大気圧補正処理のフローチャートである。

図 6は、異常診断における閾値の補正方法を示す説明図である。

図 7は、水素ポンプ回転数の補正方法を示す説明図である。

図 8は、システム停止後のアノード側の圧力変化を示すグラフである。

図 9は、水素ガスの運転圧力とその成分比率を示すグラフである。

図 1 0は、大気圧とシステム停止からの経過時間に応じて窒素濃度を推定するためのマップである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。

A . 燃料電池システムの概略構成：

B . 燃料電池システムにおける制御：

C . レギユレ一夕の動作原理：

D . 大気圧補正処理：

E . 窒素濃度の推定方法：

A . 燃料電池システムの概略構成：

図 1は、実施例としての燃料電池システム 1 0 0の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム 1 0 0は、モータで駆動する電気車両に電源として搭載される。運転者がイダニシヨンキー 1 4をオンにし、アクセルを操作すると、アクセル開度センサ 1 1によって検出された操作量に応じて燃料電池システム 1 0 0により発電が行なわれ、その電力によって車両は走行する。本実施例では、燃料電池システム 1 0 0は車両に搭載されるものとするが、航空機や鉄道などの他の移動体に搭載されるものであってもよいし、住宅などに設置される据え置き型であってもよい。この燃料電池システム 1 0 0は、燃料電池スタック〗 0、燃料電池スタック 1 0に燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系 3 0、酸素としての大気を供給する酸素供給系 4 0、これらを制御する制御ユニット 6 0などから構成されている。燃料電池スタック 1 0は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル (単電池）を複数積層した積層体として形成されている。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、力ソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフイオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとし燃料電池スタック 1 0の力ソードには、酸素供給系 4 0により、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、エアコンプレッサ 4 1で圧縮された後、加湿器 4 2で加湿され、配管 3 5から燃料電池スタック Ί 0に供給される。力ソードからの排気は、配管 3 6、圧力調整弁 2 7、加湿器 4 2、希釈器 4 4を通じて外部に排出される。燃料電池ス夕ック 1 0のアノードには、水素供給系 4 0により、水素供給配管 3 2を介して水素タンク 2 0から水素ガスが供給される。水素タンク 2 0に高圧で貯蔵された水素ガスは、減圧弁であるレギユレ一夕 2 3によって圧力が減圧されて、シャツ卜バルブ 2 4を通りアノードに供給される。水素供給配管 3 2の経路中、レギユレ一夕 2 3と燃料電池スタック 1 0との間には、燃料電池スタック 1 0に供給される水素ガスの圧力を検出するための圧力センサ Ί 2が設けられている。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと称する）は、シャツ卜バルブ 2 5を通り還流配管 3 3に流出する。還流配管 3 3は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管 3 4に接続され、他方は逆止弁 2 8を介して水素供給配管 3 2に接続される。還流配管 3 3にはアノードオフガスを昇圧するための水素ポンプ 4 5が設けられている。燃料電池スタック 1 0での発電によって水素が消費されて圧力が低下したアノードオフガスはこの水素ポンプ 4 5により昇圧され、逆止弁 2 8を介して水素配管 3 2側に還流することが可能となる。排出管 3 4に設けられた排出バルブ 2 6が閉じられている間は、アノードオフガスは水素供給配管 3 2を介して再び燃料電池スタック 1 0に循環される。ァノ一ド才フガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してアノード側に流入した窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。実施例の燃料電池システム 1 0 0では、所定のタイミングで、排出バルブ 2 6を開き、不純物濃度が高くなつたアノードオフガスを、排出管 3 4を介して排出している。排出されるァノードオフガスには、未だ若干の水素が残留している可能性があるため、希釈器 4 4で空気によって希釈された後、外部に排出される。この処理により、不純物の循環量は低減する。

B . 燃料電池システムにおける制御：

燃料電池システム 1 0 0の運転は、制御ュニッ卜 6 0によって制御される。制御ユニット 6 0は、内部に C P U、 R A M , R O M , タイマ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、 R O Mに記憶された制御プログラムに従つてシステムの運転を制御する。図示する水素ポンプ制御部 6 1、異常診断部 6 2、大気圧補正部 6 3、窒素濃度推定部 6 4は、この制御プログラムによってソフトウェア的に実現される機能部である。水素ポンプ制御部 6 1は、水素ポンプ 4 5の回転数の制御を行なう。図 2は、水素ポンプ 4 5の制御方法を示す説明図である。図示するように、水素ポンプ制御部 6 1は、燃料電池システム 1 0 0に要求される出力が増すほど、水素の供給量を高めるため、回転数が高くなるように制御される。異常診断部 6 2は、圧力センサ 1 2を用いて検出した水素圧力に応じて、燃料電池システム 1 0 0が異常であるか否かを診断する。図 3は、異常状態の診断方法を示す説明図である。図示するように、異常診断部 6 2は、圧力センサ 1 2を用いて検出した圧力が、所定の閾値 A以上または閾値 B以下となる場合に、異常であるものと診断する。ただし、閾値 Aは閾値 Bよりも大きい値である。圧力が所定の閾値 A以上となるのは、例えば、レギユレ一夕 2 3の故障により、水素ガスの圧力が所定の圧力まで減圧されていない場合などである。一方、圧力が閾値 B以下となるのは、例えば、還流配管 3 3などに亀裂等が生じて水素ガスがリークした場合などである。大気圧補正部 6 3は、大気圧センサ 1 3によって検出した大気圧に応じて、燃料電池システムにおける制御量の一つである水素ポンプ 4 5の回転数や異常診断に用いる閾値を補正する。実施例で用いたレギユレ一夕 2 3のように、調圧を行なうための圧力室の一方に大気圧を導入していると、大気圧の変動に伴って、レギユレ一夕 2 3から出力される水素圧力も変動する。このため、本実施例では、かかる変動に伴う種々の影響を抑制するため、制御量の一つである水素ポンプ 4 5の回転数や異常診断に用いる閾値などの補正を行なっているのである。具体的な補正方法については後述する。窒素濃度推定部 6 4は、大気圧センサ 1 3によって検出した大気圧などに基づき、システム起動時のアノード側に含まれる窒素濃度を推定する。推定した窒素濃度は、システム起動時において、窒素濃度に応じて水素ポンプ 4 5の制御を行なうのに用いられる。

B . レギュレー夕の動作原理：

図 4は、レギユレ一夕 2 3の動作原理を示す説明図である。レギユレ一夕 2 3 は、高圧の水素ガスが流入する流入口 7 1、水素ガスの圧力を下げる減圧室 7 2、大気が導入されている大気室 7 3、減圧後の水素ガスが流出する流出口 7 4を備える。減圧室 7 2と大気室 7 3とはダイヤフラム 7 5によって仕切られている。流入口 7 1には、水素タンク 2 0が接続され、流出口 7 4にはシャッ卜バルブ 2 4を介して燃料電池スタック 1 0が接続される。大気室 7 3は、大気と連通しており、その内部にはダイヤフラム 7 5を図の上方向に押し上げるようにスプリング 7 6が設けられている。流入口 7 1から流入した高圧水素は、調圧バルブ 7 7とシート 7 8の隙間を通じて減圧室 7 2に流入する。高圧水素の圧力が高くなつて、結果的に減圧室 7 2 に流入した水素の圧力が高くなると、ダイヤフラム 7 5が図の下方向へ押し下げられ、それに伴い、ダイヤフラム 7 5と連結された調圧バルブ 7 7が図の下方向に引き下げられる。その結果、調圧バルブ 7 7とシート 7 8との隙間が狭められ、流量に対する圧力損失が増大し、流出口 7 4から出力される水素の圧力は低下する。逆に、流入した水素の圧力が低くなると、スプリング 7 6と大気圧による付勢力によってダイヤフラム 7 5が図の上方向に押し上げられ、それに伴い調圧バルプ 7 7とシート 7 8との隙間が広くなる。そのため、流量に対する圧力損失は低下し、流出口 7 4から出力される水素の圧力が高くなる。レギユレ一夕 2 3は、このように、スプリング 7 6と大気圧による付勢力と、流入する水素の圧力との釣り合いによって、流出口 7 4から流出する水素ガスの圧力を一定にすることが可能な構造となっている。

C . 大気圧補正処理：

本実施例で採用したレギユレ一夕 2 3は、上述した通り、水素ガスの減圧に、水素ガス自身の圧力と大気圧およびスプリングの付勢力とのバランスを利用している。従って、大気圧の変動により、このバランスは影響を受けることになる。例えば、燃料電池システム 1 0 0を搭載する車両が、標高の高い高地を走行したとすると、それに伴い大気圧が低下する。すると、図の下側からダイヤフラム 7 5を押し上げる力が低下してしまうため、ダイアフラ厶 7 5にかかる力は、減圧室 7 2の圧力が低い点でバランスすることになる。結局、調圧バルブ 7 7とシー卜の隙間が狭められて、出力する水素の圧力が低くなつてしまう。逆に、標高の低い低地では、大気圧が高くなり、出力する水素の圧力は高くなつてしまう。以上説明したように、大気圧を利用して減圧を行なうレギユレ一夕 2 3を備えた燃料電池システム 1 0 0では、大気圧の変動に伴って、燃料電池スタック 1 0へ供給する水素の量も変動することになる。そこで、本実施例では、大気圧センサ 1 3によって検出した大気圧に応じて、水素ポンプ 4 5の回転数を調整することにより、レギユレ一夕 2 3による水素供給量の変動を補償するものとした。また、大気圧の変動によって燃料電池スタック 1 0に供給される水素圧力が変化すると、燃料電池システム 1 0 0が正常に稼働している場合であっても、閾値の設定によっては異常診断部 6 2が、異常であると誤判定する場合がある。そこで、本実施例では、大気圧センサ 1 3によって検出した大気圧に応じて、上述した閾値 A， Bの値を変更するものとした。以下、これらの制御について説明する。図 5は、制御ュニッ卜 6 0が実行する大気圧補正処理のフローチヤ一卜である。まず、制御ュニッ卜 6 0は、燃料電池システム 1 0 0に要求される出力に応じて図 2に示したグラフに基づき水素ポンプ 4 5の回転数を設定する（ステップ S 1 0 )。続いて、大気圧センサ 1 3を用いて大気圧を検出する（ステップ S 2 0 )。次に、制御ユニット 6 0は、燃料電池システム 1 0 0が起動直後の状態であるか否かを判定する（ステップ S 3 0 )。具体的には、制御ユニット 6 0の R A M に記録された起動モードフラグがオン（値 1 ) である場合に起動直後の状態であると判定する。起動モードフラグは、燃料電池システム 1 0 0がイダニシヨンキ一によつて起動された場合に、値 1に設定される。上記判定によって、燃料電池システム 1 0 0が起動直後の状態ではないと判定された場合（ステップ S 3 0 ： N 0 ) には、制御ュニッ卜 6 0は、ステップ S 2 0で検出した大気圧に応じて、図 3で示した異常判定の閾値 A , Bを補正する（ステツプ S 4 0 )。図 6は、かかる補正方法を示す説明図である。図示するように、本実施例では、検出した大気圧が所定値、ここでは 1気圧よりも高い場合には、図 3で示した閾値 A， Bをそれぞれ高圧側に同じ量だけシフ卜させるものとした。逆に、 1気圧よりも低い場合には、閾値 A， Bをそれぞれ低圧側に同じ量だけシフ卜させるものとした。このように補正することにより、大気圧の影響によりレギユレ一夕 2 3から出力される水素の圧力が変動したとしても、その変動が、レギユレ一夕 2 3の故障や還流配管 3 3の亀裂等によるものと誤判定されることを抑制することができる。なお、ここでは、閾値 A， Bを高圧側または低圧側に同じ量だけシフトさせるものとしたが、閾値の特性等に応じてシフトさせる量をそれぞれ異なるものとしても良い。次に、制御ユニット 6 0は、上述のように補正された閾値 A， Bと、圧力センサ 1 2を用いて検出した水素圧力に基づき、図 3で示した方法により燃料電池システ厶 1 0 0の異常判定を行なう（ステップ S 5 0 )。異常と判定された場合（ステツプ S 6 0 ： Y e s ) には、所定の異常回避処理を行なう（ステップ S 7 0 )。所定の異常回避処理とは、例えば、燃料電池システム 1 0 0を停止させたり、運転者に警告を通知したりする処理である。一方、上記ステップ S 6 0において、正常と判定された場合（ステップ S 6 0 ： N o ) には、ステップ S 1 0で決定した水素ポンプの回転数を、ステップ S 2 0で検出した大気圧に応じて補正する（ステップ S 8 0 )。図 7はかかる補正方法を示す説明図である。図示するように、本実施例では、大気圧が 1気圧よりも高くなるほど水素ポンプの回転数を下げ、逆に、 1気圧よりも低ければ、それに応じて回転数を高める補正を行なうものとした。こうすることにより、レギユレ一夕 2 3から供給される水素量の変動を補償することができる。以上、大気圧に基づく種々の補正処理について説明した。かかる処理を燃料電池システム 1 0 0の稼働中に常時実行することにより、大気圧の変動に伴う種々の影響を抑制することが可能となる。なお、上記の実施例で用いたレギユレ一夕

2 3は、大気圧が高くなるに従って、水素の圧力が高くなる特性を有するが、調圧バルブ 7 7に大気圧が作用する方向を逆にした減圧弁も構成可能である。こうした減圧弁では、図 6や図 7に示した大気圧に対する水素の二次圧の関係は、逆向きとなる。従って、こうした減圧弁を用いる場合には、大気圧に対する補正量の大小関係を逆転したマップなどを用意し、補正量を求めればよい。次に、上記ステップ S 3 0において、燃料電池システム 1 0 0が起動直後の状態であると判定された場合の処理について説明する。システムの起動時に、水素ガス中に窒素等の不純物が多く混入していると、発電に必要な水素分圧が不足する恐れがあるため、本実施例では、システム起動時に以下で説明する処理を行なうものとした。まず、制御ュニッ卜 6 0は、上記ステップ S 3 0において燃料電池システム 1 0 0が起動直後の状態であると判定すると（ステップ S 3 0 ： Y e s )、ステツプ S 2 0で検出した大気圧に基づき、水素ガス中に含まれる窒素の濃度を推定する（ステップ S 9 0 )。かかる推定方法については後述する。次に、制御ユニット 6 0は、推定した窒素濃度が予め定めた所定値 C以上であるか否かを判定する（ステップ S 1 0 0 )。所定値 C以上である場合には、水素ポンプ 4 5の回転数が通常よりも高回転になるようにその回転数を補正する（ステツプ S 1 1 0 )。一方、濃度が所定値 Cよりも低かった場合には、水素ポンプの回転数は補正せず、起動モードフラグをオフにする（ステップ S 1 2 0 )。上記ステップ S 1 1 0における回転数の補正は種々の方法をとることができる。例えば、窒素濃度が所定値 C以上の場合に、一律に予め定めた回転数とするものとしても良いし、一律に回転数を増加させるものとしても良い。また、窒素濃度が高くなるにつれて回転数を増加させるものとしても良い。また、本実施例では、窒素濃度が所定値 C以上の場合に回転数を補正するものとしたが、所定値 Cとの比較を行なうことなく、推定した窒素濃度に応じて回転数を増減させるものとしても良い。以上で説明したように、システム起動時の窒素濃度が多い場合に水素ポンプ 4 5を多く回転させるものとすれば、より多くの水素を燃料電池スタック 1 0のァノードに循環させることができるため、水素分圧の低下を抑制することが可能となる。なお、図 5では、ステップ S 1 1 0およびステップ S 1 2 0が終了すると、一連の処理が終了するものとしたが、ステップ S 4 0に処理を移行するものとしても良い。また、上記ステップ S〗 1 0では、水素ポンプの回転数を高める以外にも、例えば、排出バルブ 2 6の制御により、アノードガスを外部に排出させるものとしても良い。こうすることで、窒素を排出し、水素の濃度を高めることが可能となる。 E . 窒素濃度の推定方法：

以下では、図 8〜図 1 0を用いて、上記ステップ S 9 0における窒素濃度の推定方法を説明する。図 8は、燃料電池システム 1 0 0停止後のアノード側の水素ガスの圧力変化を示すグラフである。横軸は、システム停止からの経過時間を表し、縦軸は、アノード側の全圧を示している。図示するように、燃料電池システ厶 1 0 0が停止すると、徐々にアノード側の全圧は低下する。これは、水素が、アノード側から燃料電池スタック 1 0内の電解質を透過してカソード側に移動していくからである。しかし、システム停止から 3 0分程度時間が経過すると、逆にアノード側の全圧が上昇する。これは、力ソード側から電解質を介して空気中の窒素が徐々にアノード側に透過するためである。かかるグラフで示したような圧力変化を、予めマップなどの形で制御ユニット 6 0内に保持しておくことにより、システム停止後の経過時間に応じたアノード側の窒素分圧（濃度）を推定できることが可能となる。しかし、実際には、アノード側の全圧や窒素の分圧は、大気圧の影響によって変動するため、以下の調整を行なっている。図 9は、図 8中の時刻 t 1においてシステムを起動した場合における水素ガスの運転圧力とその成分比率を示すグラフである。システム起動時のアノード側の運転圧力は、レギユレ一夕 2 3の設定等によって、通常、 2 5 0 k P a程度とされている。しかし、上述したように、大気圧が低下するとレギユレ一夕 2 3から出力される水素の圧力も低下するため、運転圧力もそれに応じて、 2 4 0 k P a、 2 3 0 k P a、 ■·■、と、低下することとなる。また、大気圧が低下すれば、システム停止中にカソード側からアノード側に透過する窒素の量も低下する。そのため、図示するように、運転圧力が低くなるにつれ、アノードガス中に含まれる窒素の比率も低くなる。以上の説明により、システム起動時の窒素濃度を推定するためには、システム停止後の経過時間と起動時の大気圧とによつて推定可能であることがわかる。そこで、本実施例では、図 1 0で示すようなマップを制御ユニット 6 0内に保持することにより、窒素の濃度を推定している。図 1 0は、大気圧とシステム停止からの経過時間に応じて窒素濃度を推定するためのマップである。横軸は大気圧を表し、縦軸は窒素濃度を表す。図中の符号 Cは、上記ステップ 1 0 0における所定値 Cである。制御ユニット 6 0は、窒素濃度がこの所定値 Cよりも高いと判断した場合には、水素ポンプ 4 5の回転量を増加させる。例えば、経過時間が 1: 4 の場合には、大気圧が変動したとしても窒素濃度は十分低い。そこで、制御ュニット 6 0は、ポンプの回転数を補正することはない。一方、経過時間が t 5の場合には、大気圧が所定圧力 Dよりも高ければアノード側の窒素分圧が高いと判断し、ポンプの回転数を増加する補正を行なう。この結果、高濃度の窒素を含んだガスはアノードから排気され、その分圧は速やかに低くなり、システムは起動されやすくなる。大気圧が所定圧力 Dよりも低ければ、アノードの運転圧力も低くなるため、窒素の比率も低いと判断でき、ポンプの回転数を補正する処理は行なわない。以上で説明した窒素濃度の推定方法を用いれば、精度良く水素ポンプを制御することができるため、システムをより確実に起動させることが可能となる。以上、本発明の実施の形態について実施例に基づき説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、ソフトウェア的に実現した機能は八一ドゥエァによって実現してもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池システムであって、

前記燃料電池ス夕ックに供給する水素を大気圧以上の圧力で貯蔵する水素夕ンクと、

前記水素夕ンクと前記燃料電池ス夕ックとを連通する水素供給配管と、前記水素供給配管の経路中に設けられ、前記水素タンクから前記燃料電池ス夕ックに供給する水素の圧力を、大気圧を利用して減圧する減圧器と、

該減圧器に作用する大気圧を検出する大気圧検出部と、

大気圧の変動に伴う前記減圧器における減圧性能の変動の影響を抑制するように、前記検出した大気圧に応じて前記燃料電池システムの制御に関する所定の制御量を変更する制御状態変更部と

を備える燃料電池システム。

2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、

前記制御状態変更部は、前記大気圧の変化に応じて前記異常検出用の閾値を変更する

燃料電池システム。

3 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、

更に、前記制御量は、前記燃料電池スタックに供給する水素の流量であり、前記制御状態変更部は、前記検出した大気圧に応じて、前記水素の流量を変更する

燃料電池システム。

4 . 請求項 3に記載の燃料電池システムであって、

更に、前記燃料電池スタックのアノードオフガス排出口と前記水素供給配管とを連通することにより、前記燃料電池ス夕ックから排出されたァノードオフガスを、前記水素供給配管中に還流する還流配管と、

前記水素ポンプの駆動状態を制御する水素ポンプ制御部と、を備え、前記制御状態変更部は、前記検出した大気圧に応じて、前記水素ポンプ制御部を用いて前記水素ポンプの駆動状態を変更することにより、前記制御量である前記水素の流量を変更する

燃料電池システム。

5 . 請求項 4に記載の燃料電池システムであって、更に、

前記水素中に含まれる不純物の濃度を、前記検出した大気圧に基づいて推定する不純物濃度推定部と、

該推定された不純物の濃度に応じて、前記水素ポンプ制御部を用いて、前記水素ポンプの駆動状態を変更する水素ポンプ駆動変更部と

を備えた燃料電池システム。

6 . 請求項 5記載の燃料電池システムであって、

前記水素ポンプ駆動変更部は、前記不純物の濃度が高いほど前記水素ポンプの駆動量を高めて前記アノードオフガスの圧力の昇圧の程度を高める手段である燃料電池システム。

7 . 請求項 5または 6記載の燃料電池システムであって、前記不純物濃度推定部は、前記水素中に含まれる不純物の濃度を、当該燃料電池システムの停止後の経過時間と当該燃料電池システム起動時の前記検出した大気圧とから推定する手段である

燃料電池システム。

8 . 請求項 7記載の燃料電池システムであって、

前記不純物濃度推定部は、当該燃料電池システムの停止後の経過時間が長いほど、また当該燃料電池システム起動時の前記大気圧が高いほど、前記不純物の濃度が高いと推定する手段である

燃料電池システム。

9 . 燃料電池システムの運転制御方法であって、

前記水素タンクから前記燃料電池スタックに供給する水素の圧力を、前記水素夕ンクと前記燃料電池スタックとを連通する水素供給配管の経路中に設けられ、大気圧を利用して動作する減圧器を用いて減圧し、

前記減圧器に作用する大気圧を検出し、

大気圧の変動に伴う前記減圧器における減圧性能の変動の影響を抑制するように、前記検出した大気圧に応じて前記燃料電池システムの制御に関する所定の制御量を変更する

燃料電池システムの運転制御方法。