JP4561155B2 - 燃料電池の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の制御装置に関する。

燃料電池は、例えば、電解質膜と電解質膜を挟んで形成され、触媒層を含む２つの電極を有している。燃料電池では、一方の電極（水素極）には、燃料ガスである水素が供給され、他方の電極（空気極）には、酸化剤である酸素が供給される。このうち、燃料ガスは、燃料タンクからガス供給通路を通じて水素極側に供給される。

このガス供給通路には流量制御弁が設けられ、燃料電池の要求発電量に応じた流量で燃料ガスが供給される。したがって、燃料電池には、発電に必要なだけの燃料ガスが供給され、燃料電池内で消費される。その結果必要な電力が燃料電池で生成され、所定の負荷により消費される。このようにして、燃料電池の効率的な発電が実現される。

しかし、この流量制御弁が故障した場合には、正常な発電を維持できない。例えば、流量制御弁が閉じたまま開弁しない状態で故障した場合（これを閉故障という）、燃料電池には、燃料ガスが供給されず、燃料電池は発電を継続できない。

一方、流量制御弁が開いたまま閉弁しない状態で故障した場合（これ開故障という）、燃料電池には、その開故障の程度に応じた流量の燃料ガスが常時燃料電池に供給される。このような場合には、過剰に供給される燃料ガスにより、燃料電池内の燃料ガス圧力が上昇する。さらに、燃料電池に要求される要求発電量に対して実際の発電量が過剰となる。

しかしながら、従来の技術では、このような燃料ガスの供給を制御する流量制御弁の故障に対する配慮はなかった。以下、本発明に関連する従来の一般的技術を開示する先行技術を示す。
特開２００３−１７８７７９号公報 特開２００２−８３６２２号公報 特開２００２−２３１２７７号公報 特開昭６３−１５８７５７号公報

本発明の目的は、燃料電池において、反応ガスの供給を制御する流量制御弁に故障が発生したときに、要求発電量の電力供給を可能な限り継続できる技術を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池の制御装置において、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路と、上記ガス供給通路に設けられ互いに並列に反応ガスの通路を構成し反応ガスの供給を制御する複数のガス流量調整手段と、上記ガス流量調整手段の故障の有無を検知する故障検知手段と、上記故障検知手段により上記ガス流量調整手段の少なくとも１つが正常で、かつ、上記ガス流量調整手段の少なくとも１つが故障していることが検知されたときに故障していないガス流量調整手段により燃料電池に供給されるガス流量を制御するガス流量制御手段と、を備えるものである。

この燃料電池の制御装置によれば、上記ガス流量調整手段の少なくとも１つが正常で、かつ、少なくとも１つが故障していることが検知されたときに故障していないガス流量調整手段により燃料電池に供給されるガス流量を制御する。したがって、少なくとも１つのガス流量調整手段が故障の場合であっても、燃料電池の運転を継続できる可能性を高めることができる。

また、上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記故障検知手段により故障していると判断されたガス流量調整手段に流れる流出ガス量を検出するガス流量検知手段と、上記燃料電池に対する要求発電量から必要な反応ガス量を算出する要求ガス量算出手段と、を備え、上記故障検知手段は、故障しているガス流量調整手段が開弁状態で故障しているか、閉弁状態で故障しているかを検知し、上記ガス流量制御手段は、上記故障検知手段により上記ガス流量調整手段が開弁状態で故障していると検知されたときには上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量から上記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量を減じたガス量を正常なガス流量調整手段により燃料電池に供給するように制御してもよい。

この燃料電池の制御装置によれば、１つのガス流量調整手段が開弁状態で故障していると検知されたときには上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量から上記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量を減じたガス量を正常なガス流量調整手段により燃料電池に供給する。したがって、故障したガス流量調整手段と正常なガス流量調整手段を組み合わせて、要求発電量に必要なガス量の反応ガスが供給される。

なお、ガス流量調整手段が閉弁状態で故障している場合には、上記ガス流量検知手段は、流出ガス量を検知することなく、ガス流量を０と判断するようにしてもよい。

また、上記燃料電池の制御装置において、２次電池と、上記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量が上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量より多いときには、上記流出ガス量に対応する電力を上記燃料電池から出力させるとともに、上記燃料電池で出力した電力のうち要求発電量以上の電力を上記２次電池に蓄える出力電力制御手段とをさらに備えてもよい。

この燃料電池の制御装置によれば、故障したガス流量調整手段から流出する流出ガス量が要求発電量に対応する反応ガス量より多い場合に、要求発電量以上の電力を上記２次電池に蓄えることができる。また、その場合、流出ガス量に対応する電力を上記燃料電池から出力させるので、流出ガスの大半を燃料電池で消費することができる。

また、上記出力電力制御手段は、正常なガス流量調整手段によって制御可能な最低制御ガス量が上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量から上記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量を減じたガス量より多いときには、上記最低制御ガス量に上記流出ガス量を加えたガス量に対応する電力を上記燃料電池から出力させるとともに、上記燃料電池で出力した電力のうち上記要求発電量以上の電力を上記２次電池に蓄えるようにしてもよい。

この燃料電池の制御装置によれば、正常なガス流量調整手段によって制御可能な最低制御ガス量が上記反応ガス量から上記流出ガス量を減じたガス量より多い場合に、要求発電量以上の電力を上記２次電池に蓄えることができる。また、その場合、最低制御ガス量に上記流出ガス量を加えたガス量に対応する電力を上記燃料電池から出力させるので、最低制御ガス量に上記流出ガス量を加えたガス量の反応ガス、すなわち、燃料電池に供給される反応ガスの大半を燃料電池で消費することができる。

また、上記燃料電池の制御装置において、上記ガス流量制御手段は、上記故障検知手段により上記ガス流量調整手段が閉弁状態で故障していると検知されたときには上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量を正常なガス流量調整手段により燃料電池に供給するように制御してもよい。

この燃料電池の制御装置によれば、１つのガス流量調整手段が閉弁状態で故障していると検知されたときには上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量を正常なガス流量調整手段により燃料電池に供給する。したがって、１つのガス流量調整手段が閉故障の場合であっても、燃料電池の運転を継続できる可能性を高めることができる。

なお、ガス流量調整手段が閉弁状態で故障している場合には、上記ガス流量検知手段は、流出ガス量を検知することなく、ガス流量を０と判断すればよい。

また、上記燃料電池の制御装置において、上記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量が正常なガス流量調整手段により供給できるガス量より多いときは上記要求発電量の電力に対する上記燃料電池の発電量の不足分を２次電池から供給する出力電力制御手段をさらに備えるようにしてもよい。

この燃料電池の制御装置によれば、１つのガス流量調整手段が閉故障し、正常なガス流量調整手段で反応ガスを供給する場合において、供給されるガス量が不足することによる電力の不足を２次電池の電力によって補うことができる。

また、上記燃料電池の制御装置において、上記故障検知手段は、上記ガス流量調整手段の１つに対してガス流量を減少させる制御を実行したときのガス流量の変化が所定変化量以下のときにガス流量調整手段が開故障していると検知するようにしてもよい。

また、上記燃料電池の制御装置において、上記故障検知手段は、上記ガス流量調整手段の１つに対してガス流量を増加させる制御を実行したときのガス流量の変化が所定変化量以下のときにガス流量調整手段が閉故障していると検知するようにしてもよい。

この燃料電池の制御装置によれば、ガス流量調整手段への制御と、その制御後の流量の変化の程度または流量の変化の有無からガス流量調整手段の開故障、または、閉故障を検知できる。なお、以上説明した構成は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、燃料電池において、反応ガスの供給を制御する流量制御弁に故障が発生したときに、要求発電量の電力供給を可能な限り継続できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池の制御装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

＜燃料電池の概要構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池およびその制御装置の構成図である。この燃料電池は、燃料電池セル（以下、単にセルと呼ぶ）を含む燃料電池本体１と、燃料電池本体１の水素極側に燃料ガスを供給する燃料タンク４と、燃料タンク４と燃料電池本体１の燃料導入口とを接続する燃料ガス供給通路Ｌ１−Ｌ３（上流から下流に向かってＬ１、Ｌ２、Ｌ３の符号が付された部分に分かれる）と、燃料ガス供給通路Ｌ２とＬ３の間において互いに並列に配置され燃料ガスの供給量を制御する流量制御弁５Ａ、５Ｂと、燃料ガス供
給通路Ｌ１とＬ２との間に設けられ燃料タンク４から燃料電池本体１に供給される燃料ガスの流量を検出する流量センサ２と、流量センサ２の検出値を監視するとともに流量制御弁５Ａ、５Ｂを制御するＥＣＵ３（電子制御ユニット）とを有している。

また、この燃料電池は、出力回路側に接続されるＤＣ−ＤＣ変換器１０と、ＤＣ−ＤＣ変換器１０を通じて充電される２次電池９とを有している。さらに、燃料電池の出力回路には、ＤＣ−ＤＣ変換器１０を含む２次電池９の回路と並列に負荷１１が接続されている。

なお、図１においては、燃料電池から燃料オフガスを排気する排気側の構成要素、酸化ガスを供給する空気極側の構成要素等は省略されている。

燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層した積層体（セルスタックと呼ばれる）から構成される。膜−電極接合体は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。

燃料タンク４は、ガス供給通路Ｌ１および流量制御弁５Ａ、５Ｂを介して燃料電池本体１の水素極側に燃料（例えば、水素ガス）を供給する。燃料タンク４は、燃料ガスを高圧状態（１気圧を超える圧力状態）で保持している。

流量制御弁５Ａ、５Ｂ（ガス流量調整手段に相当）は、弁の開閉により通過するガス流量を調整する。流量制御弁５Ａ、５Ｂは、例えば、自動車のエンジンに使用されるインジェクタと同様の構成とすることができ、ＥＣＵ３からの駆動信号により弁を開閉する。開弁状態では、燃料タンク４に保持された高圧の燃料ガスが流量制御弁５Ａ、５Ｂの開口を通過して燃料電池本体１に供給される。一方、閉弁状態では、燃料タンク４からの燃料ガスの供給は停止される。流量制御弁５Ａ、５Ｂは、ＥＣＵ３からの駆動信号により、弁の開閉間隔および開弁時間を制御され、燃料ガスの流量を調整する。このように、通常の燃料電池と異なり、本実施形態の燃料電池は、流量制御弁５Ａ、５Ｂの２つの弁を有している。

流量センサ２（ガス流量検知手段に相当）は、流量制御弁５Ａまたは５Ｂに制御されて燃料タンク４から燃料電池本体１に供給される燃料ガスの流量を測定する。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を含み、本実施形態の燃料電池の反応を制御する。ＥＣＵ３は、不図示の入出力インターフェースを介して流量制御弁５Ａ、５Ｂ、流量センサ２、およびＤＣ−ＤＣ変換器１０に接続されている。

ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ、または、５Ｂの制御により、燃料電池本体１に供給される燃料ガスの量を制御する。この処理を実行するＥＣＵ３がガス流量制御手段に相当する。そして、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ、または、５Ｂに対する設定値から燃料電池本体１に供給される燃料ガス量を検知する。

また、ＥＣＵ３は、流量センサ２により、燃料電池本体１に供給される燃料ガス量を検知するようにしてもよい。一方、ＥＣＵ３は、所定の指示部（例えば、自動車のアクセル等）から負荷に供給すべき要求発電量を算出する。この処理を実行するＥＣＵ３が要求ガス量算出手段に相当する。そして、ＥＣＵ３は、燃料電池本体１に供給される燃料ガス量に基づいて算出されるガス量相当発電量および負荷に供給されるべき要求発電量を比較する。

ガス量相当発電量が負荷１１で必要とされる要求発電量を上回り、余剰電力（余剰の燃料ガス供給）が生じる場合には、ＥＣＵ３は、ＤＣ−ＤＣ変換器１０から２次電池９に供給される電圧を上昇させる。その結果、その余剰電力は、ＤＣ−ＤＣ変換器１０を通じて２次電池９に送り込まれ、２次電池９が充電される。

一方、ガス量相当発電量が負荷の要求発電量に足りない場合には、ＥＣＵ３は、ＤＣ−ＤＣ変換器１０から２次電池９に供給される出力電圧を低下させる。ＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧の低下により、２次電池９の出力電圧がＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧を上回り、２次電池９に蓄積された電力が負荷１１に供給される。これにより、燃料電池の発電量の不足分が２次電池９から供給される電力により補充される。この処理を実行するＥＣＵ３およびＤＣ−ＤＣ変換器１０が出力電力制御手段に相当する。

本実施形態では、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ、５Ｂの故障検知のため、流量制御弁５Ａ、５Ｂのうちいずれか一方（例えば、流量制御弁５Ｂ）を閉弁状態として、他方（例えば、流量制御弁５Ａ）だけを作動させる。ここで、作動とは、流量制御弁５Ａを所定の間隔で所定の開弁時間だけ開弁させ、所定の流量の燃料ガスを燃料タンク４から燃料電池本体１に送り込むことをいう。

この場合、流量制御弁の作動としては、流量を増加させる場合の制御と、流量を減少させる場合の制御がある。流量を増加させる場合には、燃料ガスが全く供給されていない状態から燃料ガスの供給を開始する場合、燃料ガスが供給されている状態からさらに燃料ガスの流量を増加させる場合等がある。また、流量を減少させる場合には、燃料ガスが供給されている状態から燃料ガスの流量を減少させる場合、燃料ガスの供給を完全に停止させる場合等がある。

ＥＣＵ３は、燃料電池本体１の運転中に、流量制御弁５Ａ、５Ｂのうちいずれか一方（例えば、流量制御弁５Ｂ）を閉弁状態として、他方（例えば、流量制御弁５Ａ）だけについて、上記のような作動をするように流量制御弁５Ａを制御する。さらに、ＥＣＵ３は、そのときに燃料タンク４から燃料電池本体１に供給される燃料ガスの流量を流量センサ２により測定する。

そして、ＥＣＵ３は、その制御によって実際に得られる流量（測定値）と流量制御弁５Ａの作動時の規定値との差違の有無を検知する。ここで、規定値とは、流量制御弁５Ａを制御したときの制御量（流量制御弁５Ａの開弁時間、開弁を実施する周期）に対応して、流量制御弁５Ａの規格から算出される流量をいう。

そして、流量制御弁５Ａの作動時に測定される流量が規定値より大きい場合、ＥＣＵは、流量制御弁５Ａが開故障（開弁した状態で故障）していると判断する。例えば、流量制御弁５Ａを閉じる制御をしたにも拘わらず流量が減少しない場合である。流量制御弁５Ｂについても、同様の手順で、開故障しているか否かを判定する。

一方、流量制御弁５Ａの作動時に測定される流量が規定値より小さい場合、ＥＣＵは、流量制御弁５Ａが閉故障（閉弁した状態で故障）していると判断する。例えば、流量制御弁５Ａを開く制御をしたにも拘わらず流量が増加しない場合である。流量制御弁５Ｂについても、同様の手順で、閉故障しているか否かを判定する。

このようにして、ＥＣＵ３は、燃料電池本体１の運転中に流量制御弁５Ａ、５Ｂを個々に制御し、その開閉機能を点検する。そして、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ、５Ｂのいずれかに異常があると判断すると、異常の発生した流量制御弁５Ａまたは５Ｂの故障状態に
応じて、以下のような制御を実行する。

＜流量制御弁開故障時の処理＞
図２は、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が開故障したときのＥＣＵの制御を示すフローチャートである。なお、以下では、流量制御弁５Ｂは、正常であることが確認されており、流量制御弁５Ａが開故障している場合を例に説明する。ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａに対して、開故障検知処理を実行する（Ｓ１０）。開故障検知処理においては、流量制御弁５Ａからのリーク量が決定される。リーク量は、閉弁状態の流量制御弁５Ａを通じて燃料電池本体１に流れる燃料ガスの量をいう。

次に、ＥＣＵ３は、Ｓ１０の開故障検知処理結果に基づき、開故障が発生したか否かを判定する（Ｓ１１）。開故障が発生していない場合、ＥＣＵ３は、通常運転を実施する（Ｓ１２）。

また、Ｓ１１で、開故障が発生していると判定された場合、ＥＣＵ３は、燃料電池への要求発電量から要求ガス量を算出する（Ｓ１３）。要求ガス量は、外部負荷１１に供給される電力量である要求発電量から算出される。ただし、外部負荷１１に電力が供給されない状態では、要求ガス量としては、アイドリングに必要な最低ガス供給量が算出される。

次に、ＥＣＵ３は、Ｓ１０の処理で決定されたリーク量がＳ１３で算出がされる現在の要求ガス量よ多いか否かを判定する（Ｓ１４）。リーク量が要求ガス量より多い場合には、リーク量のガス量に相当するリーク相当発電量を算出する。そして、ＥＣＵ３は、リーク相当発電量を出力電力指令値に設定する（Ｓ１５）。

出力電力指令値の設定により、ＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧が制御され、その出力電圧に応じて２次電池９が充電される。これにより、リーク相当発電量の電力のうち、一部は２次電池９の充電に使用され、残りが負荷１１に供給される。その結果、開故障により流量制御弁５Ａからリークする燃料ガスの大半が燃料電池本体１での発電に消費されるともに、負荷１１で消費できない電力が２次電池９に充電される。

一方、Ｓ１４の判定で、リーク量が要求ガス量より多くない場合、ＥＣＵ３は、要求ガス量からリーク量を減じたガス量を修正流量として求める（Ｓ１６）。そして、ＥＣＵ３は、修正流量を故障していない流量制御弁５Ｂから供給するため以下の処理を実行する。

すなわち、ＥＣＵ３は、正常な流量制御弁５Ｂ（単に正常弁ともいう）の規格に基づく最低制御流量を参照する。そして、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂの最低制御流量がＳ１６で求めた修正流量より多いか否かを判定する（Ｓ１７）。そして、正常弁５Ｂの最低制御流量が修正流量より多い場合、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂを修正流量に制御する（この場合、最低制御流量に設定される）とともに、最低制御流量およびリーク量のガス量に相当する流量相当発電量を算出する。そして、ＥＣＵ３は、流量相当発電量を出力電力指令値に設定する（Ｓ１８）。出力電力指令値の設定により、Ｓ１５と同様の制御がＤＣ−ＤＣ変換器１０になされる。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧の制御により、流量相当発電量の電力のうち、一部は２次電池９の充電に使用され、残りが負荷１１に供給される。その結果、正常弁５Ｂから流出する燃料ガスおよび流量制御弁５Ａからリークする燃料ガスの大半が燃料電池本体１での発電に消費されるともに、負荷１１で消費できない電力が２次電池９に充電される。

また、Ｓ１７の判定で、正常弁５Ｂの最低制御流量が修正流量以下の場合、ＥＣＵ３は、次に、正常弁５Ｂの最大制御流量が修正流量未満であるか否かを判定する（Ｓ１９）。そして、正常弁５Ｂの最大制御流量が修正流量未満である場合、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂ
を修正流量に制御するとともに、ＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧を低下させる。これにより、ＥＣＵ３は、不足電力を２次電池９から負荷１１に供給する（Ｓ１Ａ）。

また、Ｓ１９の判定で、正常弁５Ｂの最大制御流量が修正流量以上である場合、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂを修正流量に制御し、燃料電池の運転を継続する（Ｓ１Ｂ）。すなわち、ＥＣＵ３は、正常な流量制御弁５Ｂを制御して、修正流量のガスを燃料タンク４から燃料電池本体１に供給する。その結果、故障した流量制御弁５Ａと正常な流量制御弁５Ｂとにより、燃料電池本体１には、要求ガス量が供給される。

図３に、開故障検知処理（図２のＳ１０）の詳細を示す。この処理を実行するＥＣＵ３が故障検知手段に相当する。この処理では、まず、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａを作動し、流量を所定量減少させる（Ｓ１０１）。この処理は、例えば、流量制御弁５Ａの開弁周期を所定期間長くする処理である。また、流量制御弁５Ａの開弁周期をそのまま維持し、１回の開弁当たりの開弁時間を所定時間短くするものでも構わない。また、この処理で、開弁周期を長くするとともに、開弁時間を短くするようにしてもよい。なお、このとき、流量制御弁５Ｂは閉弁状態であると想定する。

次に、ＥＣＵ３は、流量センサ２により、実際の流量を測定する（Ｓ１０２）。次に、ＥＣＵ３は、Ｓ１０２で測定された流量と、上記Ｓ１０１の処理によって減少すべき流量（以下、規定値と呼ぶ）とを比較する（Ｓ１０３）。ここで、規定値とは、ＥＣＵ３からの制御信号によって流量制御弁５Ａで生じるべき流量の変化量である。なお、規定値としては、変化量に代えて、流量制御弁５Ａの制御によって変化した後の流量そのものであってもよい。

そして、流量と規定値とのずれ量が大きい場合、そのずれ量からリーク量を算出する（Ｓ１０４）。例えば、流量制御弁５Ａを完全に閉弁してそのまま維持したにも拘わらず、流量センサ２で燃料ガスの流量が検出できた場合には、その流量がリーク量となる。次に、ＥＣＵ３は、故障信号を発生し（例えば、所定の表示部に故障を表示し）、処理を終了する（Ｓ１０５）。

一方、Ｓ１０３の判定で、流量の測定値と規定値とのずれ量が所定値未満の場合、ＥＣＵは、流量制御弁５Ａが正常であり、リーク量が０であると判断する（Ｓ１０６）。その後、ＥＣＵ３は、処理を終了する。なお、以上は、流量制御弁５Ａが開故障の場合に付いて説明したが、流量制御弁５Ｂが開故障の場合についても同様である。

＜流量制御弁閉故障時の処理＞
次に、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が閉故障した場合のＥＣＵ３の処理について説明する。図４は、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が閉故障したときのＥＣＵの制御を示すフローチャートである。ここでも、流量制御弁５Ｂは、正常であることが確認されており、流量制御弁５Ａが閉故障している場合を例に説明する。ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａに対して、閉故障検知処理を実行する（Ｓ２０）。閉故障検知処理においては、流量制御弁５Ａを開弁したときの流量が０であるか否かが判定される。

次に、ＥＣＵ３は、Ｓ１０の閉故障検知処理結果に基づき、閉故障が発生したか否かを判定する（Ｓ２１）。閉故障が発生していない場合、ＥＣＵ３は、通常運転を実施する（Ｓ２２）。

また、Ｓ２１で、閉故障が発生していると判定された場合、ＥＣＵ３は、燃料電池への要求発電量から要求ガス量を算出する（Ｓ２３）。

次に、ＥＣＵ３は、要求ガス量の燃料ガスを故障していない流量制御弁５Ｂから供給するため以下の処理を実行する。

すなわち、ＥＣＵ３は、正常な流量制御弁５Ｂ（単に正常弁ともいう）の規格に基づく最低制御流量を参照する。そして、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂの最低制御流量がＳ２３で求めた要求ガス量より多いか否かを判定する（Ｓ２５）。そして、正常弁５Ｂの最低制御流量が要求ガス量より多い場合、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂを要求ガス量に制御する（この場合、最低制御流量が設定される）とともに、最低制御流量のガス量に相当する流量相当発電量を算出する。そして、ＥＣＵ３は、流量相当発電量を出力電力指令値に設定する（Ｓ２６）。この出力電力指令値の設定により、ＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧が制御され、流量相当発電量の電力のうち、一部は２次電池９の充電に使用され、残りが負荷１１に供給される。その結果、正常弁５Ｂから供給される燃料ガスの大半が燃料電池本体１での発電に消費されるともに、負荷１１で消費できない電力が２次電池９に充電される。

また、Ｓ２５の判定で、正常弁５Ｂの最低制御流量が要求ガス量以下の場合、ＥＣＵ３は、次に、正常弁５Ｂの最大制御流量が要求ガス量未満であるか否かを判定する（Ｓ２７）。そして、正常弁５Ｂの最大制御流量が要求ガス量未満である場合、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂを要求ガス量に制御する（この場合、最大制御流量が設定される）とともに、ＤＣ−ＤＣ変換器１０の出力電圧を低下させる。これにより、ＥＣＵ３は、不足電力を２次電池９から負荷１１に供給する（Ｓ２８）。

また、Ｓ２７の判定で、正常弁５Ｂの最大制御流量が要求ガス量以上である場合、ＥＣＵ３は、正常弁５Ｂを要求ガス量に制御し、燃料電池の運転を継続する（Ｓ２９）。すなわち、ＥＣＵ３は、正常な流量制御弁５Ｂを制御して、要求ガス量のガスを燃料タンク４から燃料電池本体１に供給する。その結果、正常な流量制御弁５Ｂにより、燃料電池本体１には、要求ガス量が供給される。

図５に、開故障検知処理（図４のＳ２０）の詳細を示す。この処理を実行するＥＣＵ３が故障検知手段に相当する。この処理では、まず、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａを作動し、流量を所定量増加させる（Ｓ２０１）。この処理は、例えば、流量制御弁５Ａの開弁周期を所定期間短くする処理である。また、流量制御弁５Ａの開弁周期をそのまま維持し、１回の開弁当たりの開弁時間を所定時間長くするものでも構わない。また、この処理で、開弁周期を短くするとともに、開弁時間を長くするようにしてもよい。なお、このとき、流量制御弁５Ｂは閉弁状態であると想定する。

次に、ＥＣＵ３は、流量センサ２により、実際の流量を測定する（Ｓ２０２）。次に、ＥＣＵ３は、Ｓ２０２で測定された流量と、上記Ｓ２０１の処理によって増加すべき規定値とを比較する（Ｓ２０３）。ここで、規定値とは、ＥＣＵ３からの制御信号によって流量制御弁５Ａで生じるべき流量の変化である。なお、規定値としては、変化量に代えて、流量制御弁５Ａの制御によって変化した後の流量そのものであってもよい。

そして、測定された流量と規定値とのずれ量が大きい場合、ＥＣＵ３は、閉故障であると判定する。例えば、流量制御弁５Ａを所定時間継続して開弁したにも拘わらず、流量センサ２で燃料ガスの流量が検出できない場合には、閉故障であると判定される。この場合、ＥＣＵ３は、故障信号を発生し（例えば、所定の表示部に故障を表示し）、処理を終了する（Ｓ２０４）。

一方、Ｓ１０３の判定で、流量と規定値とのずれ量が所定値未満の場合、ＥＣＵは、流量制御弁５Ａが正常であると判断する（Ｓ１０６）。その後、ＥＣＵ３は、処理を終了する。なお、以上は、流量制御弁５Ａが閉故障の場合について説明したが、流量制御弁５Ｂ
が閉故障の場合についても同様である。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池によれば、ＥＣＵ３は、並列に設けられた複数の流量制御弁５Ａ、５Ｂの故障の有無を検知する。そして、例えば、流量制御弁５Ａで開故障が検知された場合、ＥＣＵ３は、その開故障での燃料ガスのリーク量を検知する。そして、リーク量に対応する発電量が要求発電量を超える場合、そのリーク量に対応する発電量を出力電圧指令値に設定する。その結果、リーク量分の燃料ガスが燃料電池内でほぼ消費され、燃料電池内での燃料ガスの圧力上昇を抑制する。また、出力電圧指令値がリーク量に対応する発電量（要求発電量を超える発電量）に設定されたことに伴い発生する余剰電力により２次電池９が充電される。

一方、上記リーク量対応する発電量が要求発電量未満の場合、ＥＣＵ３は、他の正常な流量制御弁５Ｂを作動させ、流量制御弁５Ａ、５Ｂの組み合わせにより燃料ガスの流量を制御する。その場合、ＥＣＵ３は、要求発電量に対応する燃料ガス量からリーク量を減じた値を修正流量とし、流量制御弁５Ｂの最低制御流量が修正流量を超えるか否かを判定する。

そして、流量制御弁５Ｂの最低制御流量が修正流量を超える場合、その最低制御流量およびリーク量に相当する発電量に出力電力指令値を設定する。これにより、ＥＣＵ３は、燃料電池内で最低制御流量およびリーク量の燃料ガスを消費させ、燃料ガスの圧力上昇を抑制する。また、出力電圧指令値が最低制御流量およびリーク量に対応する発電量（要求発電量を超える発電量）に設定されたことに伴い発生する余剰電力により２次電池９が充電される。

また、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ｂの最大制御流量が修正流量未満か否かを判定する。流量制御弁５Ｂの最大制御流量が修正流量未満の場合、ＥＣＵ３は、ガス量の供給不足に伴う、不足電力を２次電池９から供給する。これにより、流量制御弁５Ａ故障時のガス流量の不足が２次電池９の電力により補充される。

また、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）の流量を減少させる制御を実行し、その制御に対応する流量減少の規定値と、実際の流量減少値（測定値）とのずれ量を比較し、ずれ量を算出する。そして、ずれ量が大きい場合、例えば、流量が減少しない場合に、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が開故障であると判定する。したがって、ＥＣＵ３は、燃料電池の運転中に流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が開故障であるか否かを判定し、および、開故障であった場合のリーク量を測定できる。

また、例えば、流量制御弁５Ａで閉故障が検知された場合、ＥＣＵ３は、他の正常な流量制御弁５Ｂを作動させ、流量制御弁５Ａ、５Ｂの組み合わせにより燃料ガスの流量を制御する。その場合、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ｂの最低制御流量が要求発電量に対応する要求ガス量を超えるか否かを判定する。

そして、流量制御弁５Ｂの最低制御流量が要求ガス量を超える場合、その最低制御流量に相当する発電量に出力電力指令値を設定する。これにより、ＥＣＵ３は、燃料電池内で最低制御流量の燃料ガスを消費させ、燃料ガスの圧力上昇を抑制する。また、出力電圧指令値が最低制御流量に対応する発電量（要求発電量を超える発電量）に設定されたことに伴い発生する余剰電力により２次電池９が充電される。

また、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ｂの最大制御流量が要求ガス量未満か否かを判定する。流量制御弁５Ｂの最大制御流量が要求ガス量未満の場合、ＥＣＵ３は、ガス量の供給不足に伴う、不足電力を２次電池９から供給する。これにより、流量制御弁５Ａ故障時のガ
ス流量の不足が２次電池９の電力により補充される。

また、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）の流量を増加させる制御を実行し、その制御に対応する流量増加の規定値と、実際の流量増加値（測定値）とのずれ量を比較し、ずれ量を算出する。そして、ずれ量が大きい場合、例えば、流量が閉弁状態から増加しない場合に、流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が閉故障であると判定する。したがって、ＥＣＵ３は、燃料電池の運転中に流量制御弁５Ａ（または５Ｂ）が閉故障であるか否かを判定できる。

＜変形例＞
図６に、本発明の変形例に係る燃料電池の構成を示す。図６では、図１の場合と比較して、流量センサ２に代えて圧力センサ６が設けられている。また、水素センサ７がさらに追加されている。他の構成要素は、図１の場合と同様である。そこで、図１と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、流量センサ２に代えて圧力センサ６によっても、流量制御弁５Ａ、５Ｂの開故障または閉故障を検知できる。例えば、ＥＣＵ３が流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉して圧力センサ６の検出圧力が減少するか否かを検知すればよい。圧力が減少しなければ、ＥＣＵ３は、閉故障と判定すればよい。また、流量制御弁５Ａ、５Ｂを開弁状態から閉弁状態に制御した後の圧力センサ６の検出圧力が増加するか否かを判定すればよい。そして、圧力が増加しない場合に、開故障と判定すればよい。

＜その他の変形例＞
上記実施形態および変形例では、主として２つの流量制御弁５Ａおよび５Ｂにより本発明の実施形態を説明した。しかし、本発明の実施において、流量制御弁５Ａ等の数が２個に限定されるものではない。すなわち、３以上の流量制御弁５Ａ等を並列に設けておき、上記実施形態と同様の手順で各流量制御弁５Ａ等の故障の有無を検知するようにしてもよい。そして、１つの流量制御弁５Ａに開故障が検知された場合に上記と同様に、他の正常な流量制御弁５Ｂ等との組み合わせにより、適性に発電し、２次電池９に充電し、電力の不足を２次電池９から補えばよい。

また、図１のように流量センサ２と流量制御弁５Ａまたは５Ｂを設けた構成では、流量制御弁５Ａまたは５Ｂの制御量（開弁周期、および開弁時間）から算出される流量の規定値（規格で定められた流量）と、実際の流量センサ２の測定値との間でずれ量が大きい場合に、流量センサ２と流量制御弁５Ａまたは５Ｂとの間で燃料ガスのガス漏れを検知するようにしてもよい。すなわち、上記ずれ量が所定値以上の場合、あるいは、ずれ量が時間とともに増大するような場合に、ＥＣＵ３がガス漏れの警告を発するようにすればよい。

同様に、図６のように圧力センサ６と流量制御弁５Ａまたは５Ｂを設けた構成では、流量制御弁５Ａまたは５Ｂの制御量（開弁周期、および開弁時間）から算出される圧力変化の規定値（流量制御弁５Ａまたは５Ｂ規格で定められた流量、燃料タンク４の圧力、およびガス供給通路Ｌ１、Ｌ２のコンダクタンスから算出される圧力の変動量）と、実際の圧力センサ６の測定値との間でずれ量が大きい場合に、圧力センサ６と流量制御弁５Ａまたは５Ｂとの間で燃料ガスのガス漏れを検知するようにしてもよい。すなわち、上記ずれ量が所定値以上の場合、あるいは、ずれ量が時間とともに増大するような場合に、ＥＣＵ３がガス漏れの警告を発するようにすればよい。

また、この燃料電池において、図６に示すように、水素センサ７を設けて燃料タンク４から流量制御弁５Ａ、５Ｂに至るガス供給通路Ｌ１、Ｌ２にガス漏れがないことを検知できれば、流量制御弁５Ａまたは５Ｂの制御量（開弁周期、および開弁時間）に対する流量
の規定値によって圧力センサ６の検出値を校正するようにしてもよい。

また、図１と同様に、圧力センサ６に代えて流量センサ２を設けた場合に、燃料タンク４から流量制御弁５Ａ、５Ｂに至るガス供給通路Ｌ１、Ｌ２にガス漏れがないことを検知してもよい。その場合、流量制御弁５Ａまたは５Ｂの制御量（開弁周期、および開弁時間）に対する流量の規定値から流量センサ２の検出値を校正するようにしてもよい。

図１においては、流量センサ２が流量制御弁５Ａ、５Ｂの上流側に設置されている。しかし、本発明の実施は、このような構成に限定されない。すなわち、流量センサ２を流量制御弁５Ａ、５Ｂの下流側に設置してもよい。また、図６においても、圧力センサ６を流量制御弁５Ａ、５Ｂの下流側に設置してもよい。すなわち、流量制御弁５Ａ、５Ｂの故障の検知ためのセンサは流量制御弁５Ａ、５Ｂの下流側に設置してもよい。

また、上記流量センサ２、または、圧力センサ６を流量制御弁５Ａ、５Ｂの下流側に設置した場合にも、上記同様に、流量制御弁５Ａまたは５Ｂの制御量（開弁周期、および開弁時間）に対する流量の規定値から上記流量センサ２、または、圧力センサ６の検出値を校正できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の構成図である。 流量制御弁が開故障したときのＥＣＵの制御を示すフローチャートである。 開故障検知処理を示すフローチャートである。 流量制御弁が閉故障したときのＥＣＵの制御を示すフローチャートである。 閉故障検知処理を示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る燃料電池の構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ 流量センサ
３ ＥＣＵ
４ 燃料タンク
５Ａ、５Ｂ 流量制御弁
６ 圧力センサ
７ 水素センサ
９ ２次電池
１０ ＤＣ−ＤＣ変換器
１１ 負荷

Claims (8)

1. 燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路と、
   前記ガス供給通路に設けられ互いに並列に反応ガスの通路を構成し反応ガスの供給を制御する複数のガス流量調整手段と、
   前記ガス流量調整手段の故障の有無を検知する故障検知手段と、
   前記故障検知手段により前記ガス流量調整手段の少なくとも１つが正常で、かつ、前記ガス流量調整手段の少なくとも１つが故障していることが検知されたときに故障していないガス流量調整手段により燃料電池に供給されるガス流量を制御するガス流量制御手段と、を備える燃料電池の制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、
   さらに、前記故障検知手段により故障していると判断されたガス流量調整手段に流れる流出ガス量を検出するガス流量検知手段と、
   前記燃料電池に対する要求発電量から必要な反応ガス量を算出する要求ガス量算出手段と、を備え、
   前記故障検知手段は、故障しているガス流量調整手段が開弁状態で故障しているか、閉弁状態で故障しているかを検知し、
   前記ガス流量制御手段は、前記故障検知手段により前記ガス流量調整手段が開弁状態で故障していると検知されたときには前記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量から前記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量を減じたガス量を正常なガス流量調整手段により燃料電池に供給するように制御する燃料電池の制御装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池の制御装置において、
   ２次電池と、
   前記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量が前記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量より多いときには、前記流出ガス量に対応する電力を前記燃料電池から出力させるとともに、前記燃料電池で出力した電力のうち要求発電量以上の電力を前記２次電池に蓄える出力電力制御手段とをさらに備える燃料電池の制御装置。
4. 請求項３に記載の燃料電池の制御装置において、
   前記出力電力制御手段は、正常なガス流量調整手段によって制御可能な最低制御ガス量
   が前記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量から前記ガス流量検知手段により検出された流出ガス量を減じたガス量より多いときには、前記最低制御ガス量に前記流出ガス量を加えたガス量に対応する電力を前記燃料電池から出力させるとともに、前記燃料電池で出力した電力のうち前記要求発電量以上の電力を前記２次電池に蓄える燃料電池の制御装置。
5. 請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、
   さらに、前記故障検知手段により故障していると判断されたガス流量調整手段に流れる流出ガス量を検出するガス流量検知手段と、
   前記燃料電池に対する要求発電量から必要な反応ガス量を算出する要求ガス量算出手段と、を備え、
   前記故障検知手段は、故障しているガス流量調整手段が開弁状態で故障しているか、閉弁状態で故障しているかを検知し、
   前記ガス流量制御手段は、前記故障検知手段により前記ガス流量調整手段が閉弁状態で故障していると検知されたときには前記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量を正常なガス流量調整手段により燃料電池に供給するように制御する燃料電池の制御装置。
6. 請求項５に記載の燃料電池の制御装置において、
   ２次電池と、
   前記要求ガス量算出手段により算出された反応ガス量が正常なガス流量調整手段により供給できるガス量より多いときは前記要求発電量の電力に対する前記燃料電池の発電量の不足分を前記２次電池から供給する出力電力制御手段とをさらに備える燃料電池の制御装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池の制御装置において、
   前記故障検知手段は、前記ガス流量調整手段の１つに対してガス流量を減少させる制御を実行したときのガス流量の変化が所定変化量以下のときにガス流量調整手段が開故障していると検知し、
   前記ガス流量制御手段は、前記ガス流量調整手段が開故障していると検知された場合で前記開故障による反応ガスのリーク量が前記燃料電池の要求ガス量を上回る場合に、前記反応ガスのリーク量に起因する余剰電力を二次電池に充電させ、前記ガス流量調整手段が開故障していると検知された場合で前記開故障による反応ガスのリーク量が前記燃料電池の要求ガス量を下回る場合に、故障していないガス流量調整手段からの反応ガスの供給量を前記要求ガス量よりも前記リーク量だけ少ない修正流量に制御する燃料電池の制御装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池の制御装置において、
   前記故障検知手段は、前記ガス流量調整手段の１つに対してガス流量を増加させる制御を実行したときのガス流量の変化が所定変化量以下のときにガス流量調整手段が閉故障していると検知し、
   前記ガス流量制御手段は、前記ガス流量調整手段が閉故障していると検知された場合に、故障していないガス流量調整手段によって反応ガス供給量を制御するとともに、
   前記燃料電池の要求ガス量が前記故障していないガス流量調整手段の最低制御流量よりも小さい場合に、前記最低制御流量による反応ガス供給時の余剰電力を二次電池に充電させ、
   前記燃料電池の要求ガス量が前記故障していないガス流量調整手段の最大制御流量よりも大きい場合に、不足電力を前記二次電池から供給させる燃料電池の制御装置。

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