WO2009005169A1

WO2009005169A1 - 燃料電池システム及びその制御方法

Info

Publication number: WO2009005169A1
Application number: PCT/JP2008/062430
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Kota Manabe; Tomoya Ogawa; Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2009-01-08
Also published as: JP4905706B2; CN101675550A; DE112008001674T5; CN101675550B; KR20100010515A; DE112008001674B4; US20100159342A1; US8361667B2; KR101136497B1; JP2009016117A

Abstract

発電を行う燃料電池と、燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより燃料電池の低効率発電を実現させる制御手段と、を備える燃料電池システムである。制御手段は、低効率発電時において燃料電池のカソードで生成されるアノードガス（ポンピング水素）の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定する。

Description

明細書燃料電池システム及ぴその制御方法技術分野

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。 ' 背景技術

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を fiう燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。このような燃料電池システムの燃料電池のアノードからは、発電時に消費されずに余った燃料（水素）を含む燃料オフガスが排出される。このような燃料オフガスをそのままシステムの外部に排出すると、燃料オフガスに含まれる水素の排出量が所定の環境基準値を上回る場合がある。このため、燃料電池のァノードから排出される燃料オフガスを空気等の希釈ガスと混合 ·希釈して水素濃度を低減させる技術が提案されている。

ところで、現在においては、燃料電池の低効率運転（通常運転時よりも発電効率が低い状態での運転）を実施することにより、供給した反応ガスのェネルギをより多く熱エネルギに変換して、燃料電池を昇温させる技術が提案されている。このような低効率運転においては、燃料電池のアノードから水素を含む燃料オフガスが排出されるだけでなく、燃料電池のカソードにおいてアノードガス (いわゆるボンビング水素) が生成されることが知られてレ、る。このため、近年においては、燃料電池の力ソード側に希釈手段を設けることにより、排出されるボンビング水素の濃度を低減させる技術が提案されている（例えば、特開 2 0 0 5— 1 7 4 6 4 5号公報参照）。発明の開示

し力し、特開 2 0 0 5— 1 7 4 6 4 5号公報に記載された技術を採用しても、力ソード側の希釈手段力 S故障した場合には、ボンビング水素の濃度を低減させることができないため、排出水素濃度を所定の環境基準値以下に抑えることができないおそれがある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、希釈手段に頼らずに低効率発電時におけるボンピング水素の排出を抑制するこができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、発電を行う燃料電池と、この燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより燃料電池の低効率発電を実現させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、低効率発電時において燃料電池の力ソードで生成されるアノードガス（ボンビング水素）の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定するものである。

また、本発明に係る制御方法は、発電を行う燃料電池を備え、この燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより燃料電池の低効率発電を実現させる燃料電池システムの制御方法であって、低効率発電時において燃料電池のカソードで生成されるアノードガス（ボンビング水素）の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定するェ程を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、低効率発電時において、燃料電池の電圧下限値を特定の値に設定することにより、ボンビング水素の生成量を所定量以下に抑えることができる。従って、低効率発電時におけるボンビング水素の排出量を低減させることができるので、ボンピング水素を希釈するための装置を省くことができる。前記燃料電池システムにおいて、ボンピング水素を希釈する希釈手段を備えることもできる。そして、この希釈手段が異常である場合にのみ、低効率発電時においてボンビング水素の生成量が所定量以下になるように燃料電池の電圧下限値を設定する制御装置を採用することができる。

力かる構成を採用すると、希釈手段が正常である場合には、ボンビング水素の濃度を希釈手段で希釈することができ、なおかつ、特に電圧の下限値を設定することなく低効率発電を実施することができるので暖機（自己発熱）を効果的に行うことができる。一方、希釈手段が異常である場合には、燃料電池の電圧下限値を特定の値に設定しながら低効率発電を実施することにより、ボンビング水素の生成量を所定量以下に抑えることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを燃料電池のカソードに供給するためのガス供給流路と、燃料電池のカソードから排出されるガスを流通させるガス排出流路と、を設けることができる。そして、ガス供給流路を流れる酸化ガスの一部を燃料電池をバイパスしてガス排出流路へと導くバイパス流路と、このバイパス流路を流通する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有し、ガス供給流路からバイパス流路を経由してガス排出流路へと流れる酸化ガスによりボンピング水素を希釈する希釈手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を検出する圧力センサを設けることができる。かかる場合、ノィパス流路を流通する酸化ガスの流量の指令値と、バイパス弁の開度と、に基づいて、酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を推定し、この推定圧力と圧力センサで検出した検出圧力との偏差に基づいて希釈手段の異常を判定する異常判定手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、推定圧力が検出圧力よりも小さく、かつ、推定圧力と検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、バイパス弁に閉故障が生じたものと判定する異常判定手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、ガス排出流路を流通するガスの圧力を調整する背圧弁を有する希釈手段を採用することができる。かかる場合、推定圧力が検出圧力よりも大きく、つ、推定圧力と検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、背圧弁に開故障が生じたものと判定する異常判定手段を採用することができる。

本発明によれば、希釈手段に頼らずに低効率発電時におけるボンピング水素の排出を抑制することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。図面の簡単な説明

図 1は、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。

図 2 Aは、図 1に示す燃料電池システムの通常運転時の出力電力と電力損失との関係を示す説明図である。

図 2 Bは、図 1に示す燃料電池システムの低効率運転時の出力電力と電力損失との関係を示す説明図である。

図 3は、図 1に示す燃料電池システムの通常運転時及ぴ低効率運転時における I V特性マップである。

図 4 A及ぴ図 4 Bは、ボンビング水素の発生原理を説明するための説明図である。

図 5は、図 1に示す燃料電池システムの低効率運転時（希釈手段異常時）における電圧下限値の設定に使用されるテーブルである。

図 6は、図 5に示すテーブルのデータをプロットして作成した近似曲線マップである。図 7は、図 1に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチヤ一トである。

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図 1〜図 6を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1 の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム 1は、図 1に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池 2、酸化ガスとしての空気を燃料電池 2に供給する酸化ガス配管系 3、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池 2に供給する燃料ガス配管系 4、システムの電力を充放電する電力系 5、システム全体を統括制御する制御装置 6等を備えている。燃料電池 2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池 2 0 (図 4 A) を積層したスタック構造を備えている。燃料電池 2の単電池 2 0 は、電解質膜 2 1 (図 4 A) の一方の面に力ソード（空気極）を有し、他方の面にアノード（燃料極）を有し、さらに力ソード及びアノードを両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸ィヒガスが供給され、このガス供給により燃料電池 2は電力を発生する。また、燃料電池 2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 2の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、力ソードで生成されるボンビング水素（後述）が含まれる。

燃科電池 2には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ 2 a及ぴ電圧センサ 2 bと、燃料電池 2の温度を検出する温度センサ 2 cと、が取り付けられている。電流センサ 2 aで検出された出力電流に係る情報や温度センサ 2 cで検出された温度に係る情報は、後述する電圧制御に用いられる。なお、燃料電池 2としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型のものを採用することができる。

酸化ガス配管系 3は、エアコンプレッサ 3 1、酸化ガス供給流路 3 2、カロ湿モジュール 3 3、力ソードオフガス流路 3 4、バイパス流路 3 8、希釈器 4 0、エアコンプレッサ 3 1を駆動するモータ M l等を有している。

エアコンプレッサ 3 1は、制御装置 6の制御指令で作動するモータ M lの駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池 2の力ソード極に供給するものであり、 ' 本発明における酸化ガス供給源の一実施形態である。酸化ガス供給流路 3 2 は、エアコンプレッサ 3 1から供給される酸素を燃料電池 2の力ソードに導くためのガス流路である。酸化ガス供給流路 3 2には、エアコンプレッサ 3 1から供給される酸化ガスの ffi力及び温度を検出する圧力センサ 3 5及び温度センサ 3 6が設けられている。これら圧力センサ 3 5及ぴ温度センサで検出された圧力及び温度に係る情報は、後述する希釈手段の異常判定に用レ、られる。

加湿モジュール 3 3は、酸化ガス供給流路 3 2を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、力ソードオフガス流路 3 4を流れる高湿潤状態の力ソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池 2に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路 3 4は、力ソ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、本発明におけるガス排出流路の一実施形態である。力ソードオフガス流路 3 4の力ソード極出口付近には、背圧弁 3 7が配設されている。制御装置 6が背圧弁 3 7の開閉動作を制御することにより、カソードオフガス流路 3 4を流通するカソードオフガスの圧力が調整され、この結果、ボンビング水素の排出量が調整されることとなる。バイパス流路 3 8は、酸化ガス供給流路 3 2を流れる酸化ガスの一部を、燃料電池 2をパイパスして、カソードオフガス流路 3 4へと導くものである。バイパス流路 3 8には、バイパス弁 3 9が設けられている。バイパス流路 3 8を流通する酸化ガスの流量は、バイパス弁 3 9によって調整される。制御装置 6がバイパス弁 3 9の開閉動作を制御することにより、酸化ガス供給流路 3 2からバイパス流路 3 8を経由して力ソードオフガス流路 3 4へと酸化ガスが供給され、これにより、力ソードオフガス流路 3 4を流通するポンピング水素が希釈される。すなわち、バイパス流路 3 8、バイパス弁 3 9及ぴ制御装置 6は、本発明における希釈手段を構成する。なお、背圧弁 3 7もまたボンビング水素の排出量を調整するものであるため、本発明における希釈手段を構成する。

希釈器 4 0は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度 (所定の環境基準値）以下に抑えるように希釈する。希釈器 4 0には、力ソードオフガス流路 3 4の下流及ぴ後述するアノードオフガス流路 4 4の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。

燃料ガス配管系 4は、燃料ガス供給源 4 1、燃料ガス供給流路 4 2、燃料ガス循環流路 4 3、アノードオフガス流路 4 4、水素循環ポンプ 4 5、逆止弁 4 6、水素循環ポンプ 4 5を駆動するためのモータ M 2等を有している。燃料ガス供給源 4 1は、燃料電池 2へ水素ガス等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や水素貯蔵タンク等によつて構成される。燃料ガス供給流路 4 2は、燃料ガス供給源 4 1から放出される燃料ガスを燃料電池 2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 H 1、水素供給バルブ H 2、 F C入口バルブ H 3等の弁が配設されている。タンクバルブ H I、水素供給バルブ H 2及ぴ F C入口バルブ H 3は、燃料電池 2へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャツトバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。

燃料ガス循環流路 4 3は、未反応燃料ガスを燃料電池 2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 F C出ロバルブ H 4、水素循環ポンプ 4 5、逆止弁 4 6が各々配設されている。燃料電池 2から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置 6の制御指令で作動するモータ M 2の駆動力により駆動される水素循環ポンプ 4 5によって適度に加圧され、燃料ガス供給流路 4 2へ導かれる。燃料ガス供給流路 4 2から燃料ガス循環流路 4 3への燃料ガスの逆流は、逆止弁 4 6によって抑制される。アノードオフガス流路 4 4は、燃料電池 2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 H 5が配設されている。

電力系 5は、高圧 D CZD Cコンバータ 5 1、パッテリ 5 2、トラクションィンバ一タ 5 3、補機インバータ 5 4、トラクシヨンモータ M 3、補機モータ M 4等を備えている。

高圧 D C ZD Cコンバータ 5 1は、直流の電圧変換器であり、バッテリ 5 2から入力された直流電圧を調整してトラクションィンバータ 5 3側に出力する機能と、燃料電池 2又はトラクシヨンモータ M 3から入力された直流電圧を調整してバッテリ 5 2に出力する機能と、を有する。高圧 D C/D Cコンバータ 5 1のこれらの機能により、バッテリ 5 2の充放電が実現される。また、高圧 D CZD Cコンバータ 5 1により、燃料電池 2の出力電圧が制御される。

バッテリ 5 2は、充放電可能な二次電池（例えばニッケル水素電池等）である。バッテリ 5 2は、図示していないバッテリコンピュータの制御によつて余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池 2で発電された直流電力の一部は、高圧 D C /D Cコンパ一タ 5 1によって昇降圧され、バッテリ 5 2に充電される。なお、バッテリ 5 2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）を採用することもできる。

トラクシヨンィンバータ 5 3及び補機ィンパータ 5 4は、パルス幅変調方式の P WM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 2又はバッテリ 5 2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 M 3及び補機モータ M 4へ供給する。トラクションモータ M 3は、車輪 7 L、 7 Rを駆動するためのモータである。補機モータ M 4は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ 3 1を駆動するモータ M lや水素循環ポンプ 4 5を駆動するモータ M 2等を総称したものである。制御装置 6は、 C P U、 R OM, R AM等により構成され、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統合的に制御する。具体的には、制御装置 6は、ァクセルペダル開度を検出する図示されていないァクセルべダルセンサ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池 2の出力要求電力を算出する。そして、制御装置 6は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池 2の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置 6は、トラクシヨンィンバータ 5 3及び補機ィンバータ 5 4 の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータ M 3及び補機モータ M 4 を制御する。

また、制御装置 6は、燃料電池 2に設けられた温度センサ 2 cから出力されるセンサ信号に基づき燃料電池 2の温度を検出し、検出した温度と所定の基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判定する。そ' して、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判定した場合に、通常運転処理を行う。ここで、通常運転処理とは、暖機することなく効率の高い運転動作点（すなわち電力損失の小さな運転動作点）で運転する処理をいう。一方、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判定した場合に、低効率運転処理（発電効率の低い運転動作点で運転する処理）を行う。

ここで、図 2 A〜図 4 Bを用いて、通常運転と低効率運転との関係及ぴポンビング水素の発生原理について説明する。

図 2 A及ぴ図 2 Bにおいて、横軸は出力電流を、縦軸は出力電圧を、各々表しており、 O C V (Open Circuit Voltage；開回路電圧）は、燃料電池 2 に電流を流していない状態における電圧を表す。一般に、図 2 Aに示すような電流 ·電圧特性（I V特性）が得られる燃料電池 2においては、制御装置 6は、出力電力に対して電力損失の小さな通常運転動作点（I。、 V₀) にて運転を行う。これに対し、暧機運転を行う場合には、制御装置 6は、図 2 B に示すように電力損失の大きな低効率運転動作点（Iい V_L) にて運転を行' 、い、燃料電池 2の内部温度を上昇させる。かかる低効率運転が行われる過程では、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギのうち、電力損失分 (熱エネルギ）を積極的に増大させることができるため、迅速な暖機を実現させることができる。

なお、図 3は、通常運転時における I V特性マップ（実線）と、低効率運転時における I V特性マップ（破線）と、を示すものであり、通常運転時及び低効率運転時においてはこれら I V特性マップを用いて運転動作点を決定することができる。低効率運転時における I V特性マップ（破線）は、トラクシヨンモータ M 3からの出力要求に応じて適宜設定することができ、図 3 に示したものはその一例である。

燃料電池 2の通常運転時には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストィキ比を 1 . 0以上に設定する。ここで、エアストィキ比とは、燃料電池 2を発電させるのに必要な酸化ガス供給量の理論値に対する実際の酸化ガス供給量の比（実際の酸化ガス供給量を理論値で除した値）を意味する。これに対し、燃料電池 2の低効率運転時には、電力損失を大きくして燃料電池 2の温度を上昇させるベく、エアストィキ比を 1 . 0未満に設定する。エアストィキ比を低く設定すると、水素と酸素との反応によって取り出すことができるエネルギのうち、電力損失分（熱エネルギ）を積極的に増大させることができる一方、燃料電池 2のカソードにはボンビング水素が発生する。

図 4 A及び図 4 Bは、ポンビング水素の発生原理を説明するための図である。図 4 Aは通常運転時における電池反応を示す図であり、図 4 Bは低効率運転時における電池反応を示す図である。燃料電池 2の各単電池 2 0は、電解質膜 2 1と、この電解質膜 2 1を挟持するアノード及び力ソードを備えてレ、る。水素（H₂) を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（〇₂) を含む酸化ガスは力ソードに供給される。ァノードへ燃料ガスが供給されると以下の化学式（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。ァノードで生成した水素イオンは電解質膜 2 1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。

H₂ → 2 H⁺ + 2 e " · · · (A) . ここで、力ソードへの酸化ガスの供給が十分である場合（エアストィキ比が 1 . 0以上）には、以下の化学式（B ) の反応が進行して、図 4 Aに示すように酸素、水素イオン及ぴ電子から水が生成される。一方、力ソードへの酸化ガスの供給が不足している場合（エアストィキ比が 1 . 0未満）には、不足する酸化ガス量に応じて以下の化学式（C ) の反応が進行し、図 4 Bに示すように水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。生成された水素は、酸素オフガスとともに力ソードから排出されることになる。このように乖離した水素ィ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（すなわち力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。

2 H+ + 2 e " + ( 1 / 2 ) O, → H₂0 · . . ( B ) 2 H⁺ + 2 e " → H₂ · · · (〇）制御装置 6は、このようなボンビング水素が生成される低効率発電時において、希釈手段が異常である場合（背圧弁 3 7やバイパス弁 3 9が故障した場合）に、ボンビング水素の生成量が所定量以下になるように燃料電池 2の出力電圧の下限値を設定する。すなわち、制御装置 6は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。

低効率発電時 ·希釈手段異常時における制御装置 6の具体的な電圧制御について、図 5及び図 6を用いて説明する。図 5は、燃料電池 2の出力電流（A) と、燃料電池 2の温度（°C) と、燃料電池 2の出力電圧の下限値（V) と、の関係を規定したテーブルであり、図 6は、図 5のテーブルの値をプロットして近似曲線を描いたマップである。図 5のテーブルに示した燃料電池 2の出力電圧の下限値は、燃料電池 2の出力電流を I广 I ₁₀まで変化させ、かつ、燃料電池 2の温度を T ,〜 T ₆まで変化させた場合においてポンピング水素の生成量が所定量以下になるように設定した値である。

制御装置 6は、電流センサ 2 aで検出した燃料電池 2の出力電流と、温度センサ 2 cで検出した燃料電池 2の温度と、図 5及び図 6のテーブル ·マツプと、に基づいて、燃料電池 2の出力電圧の下限値を設定する。例えば、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が T₃である場合に、燃料電池 2の出力電圧の下限値を V₃₁、 V₃₂、 ' "、 V₃₆、 …に設定する。また、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が T₆である場合に、燃料電池 2の出力電圧の下限値を V₆₁、 V₆₂、 ^ ■·■、 V₆Qに設定する。すなわち、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が T _N ( N： 1〜6 ) である場合に、図 6のマップに描かれた近似曲線 T_N (N： 1〜6 ) よりも上方の領域において、出力電流と出力電圧を設定するようにする。

また、制御装置 6は、バイパス流路 3 8を流通する酸化ガスの流量の指令値と、パイパス弁 3 9の開度と、温度センサ 3 6で検出した酸化ガスの温度と、に基づいて、エアコンプレッサ 3 1から供給される酸化ガスの圧力を推定する。そして、制御装置 6は、この推定した圧力と、圧力センサ 3 5で検出した酸化ガスの圧力と、の偏差に基づいて、希釈手段の異常（背圧弁 3 7 やパイパス弁 3 9の故障）を判定する。すなわち、制御装置 6は、本発明における異常判定手段の一実施形態としても機能する。

制御装置 6による希釈手段の異常判定手法について、具体的に説明する。パイパス流路 3 8を流通する酸化ガスの流量の指令値を Q (L/min) 、バイパス弁 3 9の開度を A (mm²) 、バイパス弁 3 9の下流圧力を P _L (kPa) (= 1 0 1 . 3 (大気圧））、エアコンプレッサ 3 1から供給される酸化ガスの圧力の推定値（推定圧力）を P _E (kPa) 、エアコンプレッサ 3 1から供給される酸化ガスの温度を T_Q (°C) 、単位変換係数を k (= 0 . 2 2 6 ) とすると、推定圧力 P_Eは以下の数式により算出される。なお、パイパス流路 3 8を流通する酸化ガスの流量指令値 Q及びバイパス弁 3 9の開度 Aは、燃料電池 2の低効率運転の動作点に応じて、制御装置 6により決定される値である。

O 二 k X A X PL ^ (PE - PL) X / 273.15 + 1 0 ノノ 273.15 制御装置 6は、このようにして算出した推定圧力 P _Eと、圧力センサ 3 5で検出した圧力（検出圧力） P。と、を比較し、両者の偏差の絶対値 eを算出する。そして、制御装置 6は、算出した偏差の絶対値 eが所定の閾値を超える場合に、背圧弁 3 7又はバイパス弁 3 9が故障している（希釈手段が異常である）ものと判定する。

具体的には、制御装置 6は、推定圧力 P_Eが検出圧力 P₀よりも小さく、かつ、これら推定圧力 P _Eと検出圧力 P。との偏差の絶対値 eが所定の閾値を超える場合に、バイパス弁 3 9に閉故障が生じたものと判定する。バイパス弁 3 9に閉故障が生じると、パイパス流路 3 8に酸化ガスが流入し難くなり、酸化ガス供給流路 3 2における酸化ガスの圧力（検出圧力）が理論値（推定圧力）よりも有意に高くなるためである。一方、制御装置 6は、推定圧力 P _E が検出圧力 P ₀よりも大きく、かつ、これら推定圧力 P _Eと検出圧力 P₀との偏差の絶対値 eが所定の閾値を超える場合に、背圧弁 3 7に開故障が生じたものと判定する。背圧弁 3 7に開故障が生じると、背圧弁 3 7の下流側にガスが漏れることとなるため、背圧弁 3 7の上流側の酸化ガス供給流路 3 2における酸化ガスの圧力（検出圧力）が理論値（推定圧力）よりも有意に低くなるためである。

次に、図 7のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム 1の制御方法について説明する。 '

まず、制御装置 6は、温度センサ 2 cから出力されるセンサ信号に基づき燃料電池 2の温度を検出し（温度検出工程： S 1 ) 、検出した温度と所定の基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判定する（暖機判定工程： S 2 ) 。制御装置 6は、暖機判定工程 S 2において、燃料電池 2の温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判定した場合に、通常運転を実現させる（通常運転工程： S 1 4 ) 。一方、制御装置 6は、暖機判定ェ程 S 2において、燃料電池 2の温度が基準温度以下であり、暧機が必要であると判定した場合に、希釈手段が異常であるか否か（背圧弁 3 7又はバイパス弁 3 9が故障しているか否か）を判定する（希釈手段異常判定工程： S 3 )。ぐ異常時低効率運転 >

制御装置 6は、希釈手段異常判定工程 S 3において、算出した推定圧力 P _E と、圧力センサ 3 5での検出圧力 P。と、の偏差の絶対値 eが所定の閾値を超える（希釈手段が異常である）と判定した場合に、以下の異常時低効率運転 (電圧下限値設定工程 S 4〜異常時電流電圧制御工程 S 6 ) を実施する。すなわち、制御装置 6は、電流センサ 2 aで検出した燃料電池 2の出力電流と、温度センサ 2 cで検出した燃料電池 2の温度と、図 5及ぴ図 6のテーブル.マップと、に基づいて、燃料電池 2の出力電圧の下限値を設定する（電圧下限値設定工程： S 4 ) 。そして、制御装置 6は、設定した電圧下限値を上回るような目標低効率運転動作点（目標とする出力電流指令値及び出力電圧指令値）を設定する（異常時低効率動作点設定工程： S 5 ) 。次いで、制御装置 6は、高圧 D CZD Cコンバータ 5 1を用いることにより、電圧センサ 2 bで検出した燃料電池 2の出力電圧を出力電圧指令値に近付ける制御を行うとともに、エアコンプレッサ 3 1や背圧弁 3 7を用いて燃料電池 2へのエア供給量を絞ることにより、電流センサ 2 aで検出した燃料電池 2の出力電流を出力電流指令値に近付ける制御を行う（異常時電流電圧制御工程： S 6 ) 。 '

その後、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が所定の基準温度を超えたか否かを判定し（温度判定工程： S 7 ) 、燃料電池 2の温度が基準温度を超えた場合には異常時低効率運転を終了し、超えない場合には希釈手段異常判定ェ程 S 3に戻って制御を続行する。以上のような異常時低効率運転においては、バイパス弁 3 9等から構成される希釈手段の制御が停止されることとなる。 <正常時低効率運転 >

一方、制御装置 6は、希釈手段異常判定工程 S 3において、算出した推定圧力 P _Eと、圧力センサ 3 5での検出圧力 P₀と、の偏差の絶対値 eが所定の閾値以下である（希釈手段が正常である）と判定した場合に、以下の正常時低効率運転（正常時低効率動作点設定工程 S 8〜水素希釈工程 S 1 2 ) を実施する。

すなわち、制御装置 6は、所定の暖機目標温度等に応じた目標低効率運転動作点を設定し（正常時低効率動作点設定工程： S 8 ) 、高圧 D CZD Cコンバータ 5 1を用いた電圧制御を行うとともに、エアコンプレッサ 3 1や背圧弁 3 7を用いた電流制御を行う（正常時電流電圧制御工程： S 9 )。また、制御装置 6は、設定した目標低効率運転動作点に対応したパージ水素量及びボンビング水素量をマップ等に基づいて導出し、これらを加算することにより燃料電池 2からの総排出水素量を算出する（総排出水素量算出工程： S 1 0 ) 。次いで、制御装置 6は、算出した総排出水素量に基づいて、排出水素濃度を所定の環境基準値以下にするために必要な希釈情報（バイパス流路 3 8を流通する酸化ガスの流量の指令値等）を算出する（希釈情報算出工程： S 1 1 ) 。そして、制御装置 6は、算出した希釈情報に基づいて、エアコンプレッサ 3 1の回転数、背圧弁 3 7の開度、バイパス弁 3 9の開度等を調整して、正常時低効率運転中に排出されるボンビング水素等を希釈する（水素希釈工程： S 1 2 ) 。

その後、制御装置 6は、燃料電池 2の温度が所定の基準温度を超えたか否かを判定し（温度判定工程： S 1 3 ) 、燃料電池 2の温度が基準温度を超えた場合には正常時低効率運転を終了し、超えない場合には希釈手段異常判定工程 S 3に戻って制御を続行する。以上のような正常時低効率運転においては、バイパス弁 3 9等から構成される希釈手段によるボンビング水素の希釈が可能となるため、電圧の下限値が制限されることがない。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、希釈手段が正常である場合には、ボンピング水素の濃度を希釈手段で希釈することができ、なおかつ、特に電圧の下限値を設定することなく低効率発電を実施することができるので暖機（自己発熱）を効果的に行うことができる。一方、希釈手段が異常である場合には、燃料電池 2の電圧下限値を特定の値に設定しながら低効率発電を実施することにより、ボンビング水素の生成量を所定量以下に抑えることができる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池 2の温度が低下した場合に、暧機を目的として低効率運転を実施した例を示したが、燃料電池 2の触媒活性を回復させる場合や、燃料電池 2の電極触媒が被毒状態にあることを検知した場合に、低効率運転を実施することもできる。また、以上の実施形態においては、燃料電池 2に取り付けた温度センサ 2 cを用いて燃料電池 2の温度を検出して暖機が必要か否か等の判定を行ったが、燃料電池 2の温度の代わりに、外気温度や燃料電池周辺の部品温度を検出して暖気が必要か否か等の判定を行うこともできる。産業上の利用可能性

本発明に係る燃料電池システムは、以上の実施形態に示すように、燃料電池車両に搭載可能であり、また、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも搭載可能である。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 発電を行う燃料電池と、前記燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより前記燃料電池の低効率発電を実現させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、

前記制御手段は、前記低効率発電時において前記燃料電池の力ソードで生成されるァノードガスの生成量が所定量以下になるように前記燃料電池の電圧下限値を設定するものである、

燃料電池システム。

2 . 前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスを希釈する希釈手段を備え、

前記制御装置は、前記希釈手段が異常である場合にのみ、前記低効率発電時において前記燃料電池の力ソードで生成されるアノードガスの生成量が所定量以下になるように前記燃料電池の電圧下限値を設定するものである、請求項 1に記載の燃料電池システム。

3 . 酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを前記燃料電池のカソードに供給するためのガス供給流路と、

前記燃料電池のカソードから排出されるガスを流通させるガス排出流路と、を備え、

前記希釈手段は、前記ガス供給流路を流れる酸化ガスの一部を前記燃料電池をバイパスして前記ガス排出流路へと導くバイパス流路と、前記パイパス流路を流通する酸化ガスの流量を調整するバイパス弁と、を有し、前記ガス供給流路から前記バイパス流路を経由して前記ガス排出流路へと流れる酸化ガスにより前記燃料電池の力ソードで生成されるァノードガスを希釈するものである、

請求項 2に記載の燃料電池システム。'

4 . 前記酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を検出する圧力センサと、

前記バイパス流路を流通する酸ィ匕ガスの流量の指令値と、前記バイパス弁の開度と、に基づいて、前記酸化ガス供給源から供給される酸化ガスの圧力を推定し、この推定圧力と前記圧力センサで検出した検出圧力との偏差に基づいて前記希釈手段の異常を判定する異常判定手段と、

を備える、

請求項 3に記載の燃料電池システム。

5 . 前記異常判定手段は、前記推定圧力が前記検出圧力よりも小さく、力、つ、前記推定圧力と前記検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記バイパス弁に閉故障が生じたものと判定するものである、請求項 4に記載の燃料電池システム。

6 . 前記希釈手段は、ガス排出流路を流通するガスの圧力を調整する背圧弁を有し、

前記異常判定手段は、前記推定圧力が前記検出圧力よりも大きく、かつ、前記推定圧力と前記検出圧力との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、前記背圧弁に開故障が生じたものと判定するものである、

請求項 4又は 5に記載の燃料電池システム。

7 . 発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池への反応ガスの供給量を通常発電時よりも低減させることにより前記燃料電池の低効率発電を実現させる燃料電池システムの制御方法であって、

前記低効率発電時において前記燃料電池の力ソードで生成されるアノードガスの生成量が所定量以下になるように前記燃料電池の電圧下限値を設定する工程を備える、

燃料電池システムの制御方法。