JP5389485B2 - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電停止後に燃料電池のカソードを封鎖する開閉バルブの故障検知を行う燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時にクロスリークによって、カソードやアノードにおいて酸化剤ガス（酸素）と燃料ガス（水素）とが反応してＯＨラジカル（ヒドロキシラジカル）が発生し、ＯＨラジカルによってカソードに含まれるカーボンなどが酸化することがある。このような酸化を防止するために、燃料電池のカソードの出入口に開閉バルブを設けて、燃料電池の発電停止後に各開閉バルブを閉じてカソードを封鎖する技術が提案されている。

そこで、開閉バルブの異常の有無を判定することが必要であり、例えば、発電停止時に開閉バルブの弁体が開いたままで閉じなくなる故障（開故障）判定を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８−１５３０７９号公報（図１および図２）

しかしながら、特許文献１に記載の従来の技術では、開閉バルブの開故障を検知するものであり、閉故障（弁体が閉じたままで開かなくなる故障）を検知できるものではない。このため、開閉バルブが未開弁状態で酸化剤ガスが供給された場合に、システム内圧異常により、配管や燃料電池の破損が発生してしまうおそれがある。

また、特許文献１に記載の従来の技術では、上流側の開閉バルブと下流側の開閉バルブのどちらが故障しているかを判定することができず、その後の対策が煩雑になる問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、それぞれの開閉バルブの閉故障を的確に判断することができる燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、前記燃料電池の発電停止後に前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを閉状態として前記カソードを封鎖し、前記燃料電池の発電中には前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを開状態として前記カソードを開放するカソード封鎖可能手段と、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとの間の圧力を測定する圧力測定手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブへの開弁信号が出力され、前記カソードへの酸化剤ガスの供給が開始された際に前記圧力測定手段により測定された圧力の変化を監視し、前記圧力が、大気圧以下の状態から前記カソードへの酸化剤ガスの供給開始前の圧力に対して圧力上昇を示さない場合には、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブの双方が閉故障と判定し、前記圧力が、大気圧以下の状態から大気圧を超えて上昇しない場合には、前記第１の開閉バルブの閉故障と判定し、前記圧力上昇が、大気圧以下の状態から所定以上を示す場合には、前記第２の開閉バルブの閉故障と判定することを特徴とする。

これによれば、燃料電池の起動時に酸化剤ガスを供給して第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間の圧力を監視することにより、第１の開閉バルブの閉故障であるか、第２の開閉バルブの閉故障であるか、または第１の開閉バルブおよび第２の開閉バルブの閉故障であるかを的確に判断することができる。

すなわち、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間の圧力が上昇しない場合には、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブの双方が故障していると判断でき、また第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間の圧力は上昇したが大気圧までしか上昇しない場合には、第１の開閉バルブが故障していると判断でき、また第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間の圧力上昇が所定以上を示した場合には、第２の開閉バルブが故障していると判断できる。なお、所定以上の圧力上昇とは、例えば第１の開閉バルブと第２の開閉バルブがともに正常な場合の圧力上昇よりも急上昇（異常に上昇）した場合である。

このように、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブの閉故障を検知できるので、燃料電池システムの内圧が異常に上昇する前に、燃料電池システムの運転を停止させることができる。また、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブの一方の故障を検知できるので、故障したバルブ側の部品のみを交換でき、部品交換時の時間短縮やコスト低減を図ることができる。

なお、圧力上昇が所定以上とは、圧力の上昇速度が第１の開閉バルブと第２の開閉バルブがともに正常に作動している場合の圧力の上昇速度よりも速く変化する場合、あるいは到達する圧力の値が第１の開閉バルブと第２の開閉バルブがともに正常に作動している場合の圧力の値（目標圧力）よりも高い場合を意味している。

請求項２に係る発明は、前記第１の開閉バルブの上流にリリーフバルブを備えた燃料電池システムにおいて、前記第１の開閉バルブおよび前記第２の開閉バルブの少なくともひとつが故障と判定されたときには、前記リリーフバルブを開弁することを特徴とする。

これによれば、第１の開閉バルブおよび第２の開閉バルブの少なくともひとつが故障していると判定したときにリリーフバルブを開弁するので、カソード側の圧力を低下させて、カソード側の配管内部の圧力の異常上昇を防止できる。なお、リリーフバルブは、差圧によって開弁するものであってもよく、あるいはソレノイドを備えて、電気的な信号によって開弁するものであってもよい。

請求項３に係る発明は、前記アノードに供給される燃料ガスの圧力調整を、前記酸化剤ガスの供給圧を信号圧として行う圧力調整機構を備え、前記第１の開閉バルブおよび前記第２の開閉バルブの少なくともひとつが故障したと判定されたときには、前記酸化剤ガスの供給を停止することを特徴とする。

これによれば、アノードに供給される燃料ガスの圧力調整を、酸化剤ガスの供給圧を信号圧として行なう圧力調整機構を備えた燃料電池システムにおいて、故障判定時に酸化剤ガスの供給停止に連動して、アノードに供給される燃料ガスの圧力が低下するので、燃料電池のアノードとカソードとの極間差圧の拡大による燃料電池の膜破損といった不具合を防止できる。

本発明によれば、それぞれの開閉バルブの閉故障を的確に判断することができる燃料電池システムの制御方法を提供できる。

本実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムを示す全体構成図である。 開閉バルブの構造を示す断面図である。 本実施形態の起動時の制御方法を示すフローチャートである。 起動時の圧力センサによる圧力変化を示すタイムチャートである。 第１の開閉バルブの上流側、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間、第２の開閉バルブの下流側の各領域における圧力変化を示す図である。 本実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの変形例を示す全体構成図である。 本実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの他の変形例を示す全体構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システムの制御方法を自動車に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶、航空機など、または業務用や家庭用で定置式のものなど発電停止時にカソードを封鎖する燃料電池システムを搭載するあらゆるものに適用できる。

本実施形態の制御方法が適用される燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、制御系４０などで構成されている。

燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）からなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するアノードおよびカソード等を備える。アノードおよびカソードは、例えば触媒がカーボンなどの触媒担体に担持された電極触媒層からなる。アノードに対向するセパレータには、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路１１が形成され、カソードに対向するセパレータには、空気（酸化剤ガス）が通流するカソード流路１２が形成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。

また、燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置、後記するエアポンプ３１などである。

アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、減圧弁２３、パージ弁２４、配管ａ１〜ａ６などで構成されている。

水素タンク２１は、高純度の水素を高圧で圧縮したものであり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁２２と接続されている。遮断弁２２は、例えば電磁弁作動式のものであり、配管ａ２を介して下流側の減圧弁２３と接続されている。減圧弁２３は、上流側（一次側）の水素の圧力を所定圧に減圧するものであり、配管ａ３を介して下流側の燃料電池１０のアノード流路１１の入口と接続されている。

パージ弁２４は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ４を介して上流側の燃料電池１０のアノード流路１１の出口と接続されている。また、入口側の配管ａ３と出口側の配管ａ４には、燃料電池１０のアノード流路１１の出口から排出された未反応の水素をアノード流路１１の入口側に戻す配管ａ５がそれぞれ接続されている。

なお、配管ａ５から配管ａ３への合流部には、図示しないエゼクタが設けられ、水素タンク２１から供給される水素の流れにより生じる負圧によって、配管ａ５から戻るガス（水素）を吸引するように構成されている。また、パージ弁２４は、配管ａ６を介して下流側の希釈器３６と接続されている。

カソード系３０は、エアポンプ３１、リリーフバルブ３２、第１の開閉バルブ３３、第２の開閉バルブ３４、背圧弁３５、希釈器３６、配管ｃ１〜ｃ６（酸化剤ガス流路）などで構成されている。

エアポンプ３１は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気（空気）を圧縮して燃料電池１０に供給する。

リリーフバルブ３２は、エアポンプ３１と第１の開閉バルブ３３との間である配管ｃ１に配管ｃ２を介して接続され、後記するＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）４１によって開弁制御される。このリリーフバルブ３２は、例えば、弁体を駆動するソレノイドを有し、ＥＣＵ４１からの電気信号によって開弁するものである。

なお、リリーフバルブ３２は、電気的な信号（開弁信号）よって開弁するものに限定されず、例えば、バルブボディ内部に調節ばねを備え、調整ばねのばね力によってバルブシートに押圧される弁体を有するものであってもよい（図示せず）。このようなリリーフバルブ３２では、バルブボディの入口ポートから導入された圧力流体（配管ｃ１，ｃ２を通流する空気）が弁体をバルブシートから離間する方向に押圧して、圧力流体の圧力が調節ばねのばね力に打ち勝つことにより弁体がバルブシートから離間し、圧力流体が図示しないリリーフポートから外部に放出（リリーフ）される。

第１の開閉バルブ３３は、酸化剤ガス流路（ｃ１，ｃ３〜ｃ７）の供給側に設けられ、配管ｃ１を介して上流側のエアポンプ３１と接続されるとともに、配管ｃ３を介して下流側の燃料電池１０のカソード流路１２の入口と接続されている。なお、第１の開閉バルブ３３と後記する第２の開閉バルブ３４の具体的構造については後記する。

第２の開閉バルブ３４は、酸化剤ガス流路（ｃ１，ｃ３〜ｃ７）の排出側に設けられ、配管ｃ４を介して上流側の燃料電池１０のカソード流路１２の出口と接続されるとともに、配管ｃ５を介して下流側の背圧弁３５と接続されている。

背圧弁３５は、例えばバタフライ弁から構成されたノーマルオープン型（常開型）の弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気の圧力を適宜調節する機能を有する。また、背圧弁３５は、配管ｃ６を介して下流側の希釈器３６と接続されている。

希釈器３６は、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスとカソード流路１２から排出されたカソードオフガスとを混合し、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガス（空気等）で希釈する容器を有する。希釈後のガスは、配管ｃ７を介して、車外に排出されるようになっている。

なお、図示していないが、カソード系３０には、加湿器が設けられ、エアポンプ３１からの空気が加湿された後に燃料電池１０のカソードに供給されるようになっている。

制御系４０は、ＥＣＵ４１、圧力センサ４２、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧと略記する）４３などで構成されている。

ＥＣＵ４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、遮断弁２２、パージ弁２４、第１の開閉バルブ３３および第２の開閉バルブ３４を開閉し、リリーフバルブ３２を開き、背圧弁３５の開度を調節し、エアポンプ３１のモータ（図示せず）の回転速度を調節する。

圧力センサ４２は、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４との間の圧力を検出するものであり、第１の開閉バルブ３３と燃料電池１０のカソード流路１２の入口との間を接続する配管ｃ３に設けられている。なお、圧力センサ４２の位置は、第２の開閉バルブ３４とカソード流路１２の出口との間の配管ｃ４に設けられていてもよい。

ＩＧ４３は、燃料電池システム１Ａを起動させるスイッチであり、ＩＧ４３のオン／オフ信号がＥＣＵ４１によって検知されるようになっている。

図２に示すように、第１の開閉バルブ３３は、ノーマルクローズ型の弁で構成され、弁装置５０（第１弁）と、通電により弁装置５０を開閉操作する駆動装置６０（第１の開閉手段）と、を備えている。なお、第２の開閉バルブ３４も同様に、ノーマルクローズ型の弁で構成され、弁装置５０（第２弁）と、通電により弁装置５０を開閉操作する駆動装置６０（第２の開閉手段）と、を備えている。ここで、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４との構造は同一の構造であるので、以下、第１の開閉バルブ３３について説明し、第２の開閉バルブ３４の説明は省略する。

弁装置５０は、入口ポート５１ａ及び出口ポート５１ｂが形成されたボディ５１（弁箱）と、出口ポート５１ｂ周りの弁座５１ｃに対して着座／離座する弁体５２と、圧縮コイルばね５３と、を備えている。

入口ポート５１ａには、エアポンプ３１からの空気が通流する配管ｃ１が接続されており、出口ポート５１ｂには、配管ｃ３が接続されている。一方、第２の開閉バルブ３４の入口ポート５１ａには配管ｃ４が接続されており、出口ポート５１ｂには配管ｃ５が接続されている。

なお、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４，ｃ５の接続構成はこれに限定されず、例えば、前記とは逆に出口ポート５１ｂ（この場合入口ポートとなる）に配管ｃ１（ｃ４）が接続され、入口ポート５１ａ（この場合出口ポートとなる）に配管ｃ３（ｃ５）が接続された構成でもよい。あるいは、第１の開閉バルブ３３の入口ポート５１ａに配管ｃ１を接続するとともに出口ポート５１ｂに配管ｃ３を接続し、第２の開閉バルブ３４の出口ポート５１ｂ（この場合入口ポートとなる）に配管ｃ４を接続するとともに入口ポート５１ａ（この場合出口ポートとなる）に配管ｃ５を接続してもよい。

弁体５２は、出口ポート５１ｂ周りの弁座５１ｃに対して着座／離座する本体５２ａと、本体５２ａと一体に形成され、本体５２ａの中心から上方に延び、上部がボディ５１の天壁部を貫通し、駆動装置６０内に延びるロッド５２ｂと、を備えている。なお、ロッド５２ｂの上端には、駆動装置６０の固定コア（図示しない）に吸引される可動コア（図示しない）が一体に固定されている。

弁体５２の本体５２ａは円板状を呈し、本体５２ａが弁座５１ｃから離座すると、弁装置５０が開状態となり、入口ポート５１ａと出口ポート５１ｂとが連通するようになっている。一方、本体５２ａが弁座５１ｃに着座すると、弁装置５０が閉状態となり、入口ポート５１ａと出口ポート５１ｂとが遮断されるようになっている（図２に示す状態）。

本体５２ａには、出口ポート５１ｂの開口周縁部に対向する位置に、ゴムなどの弾性材料で形成された環状のシール部材５２ｃが設けられている。そして、本体５２ａが着座した場合（弁装置５０が閉じた場合）、シール部材５２ｃが弾性変形することで、閉状態におけるシール性が高められている。なお、前記とは逆に、シール部材５２ｃが弁座５１ｃに設けられた構成でもよい。

圧縮コイルばね５３は、ボディ５１の天壁部と、弁体５２の本体５２ａとの間に配設されており、本体５２ａ（弁体５２）を閉方向に付勢している。そして、駆動装置６０への通電が停止されている場合、圧縮コイルばね５３に付勢される本体５２ａが弁座５１ｃに着座し、これにより、弁装置５０がノーマルクローズ型に構成されている。

駆動装置６０は、弁装置５０を閉状態から開状態に駆動する駆動力を発生させるものであり、ソレノイド６１と、ソレノイド６１に通電された場合に励磁する固定コア（図示しない）と、を備えている。

そして、ＥＣＵ４１から開弁指令が入力されると、ソレノイド６１に通電し、これにより励磁する固定コア（図示しない）に、ロッド５２ｂに固定された可動コア（図示しない）が吸引されることで、弁体５２が離座し、弁装置５０が開状態となる。なお、駆動装置６０は、ボディ５１に固定されると共に、蓄電装置（図示しない）を電源としている。

なお、本実施形態では、駆動装置６０として、ソレノイドを用いたタイプを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ステッピングモータなどの電気駆動手段からなる回転駆動源と、回転駆動源の回転駆動軸に連結されたピニオンと、ロッド（符号５２ｂに相当するもの）の外周面に設けられ前記ピニオンと噛合するラックとを備えて構成された駆動装置であってもよい。

また、本実施形態では、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４として、ノーマルクローズ型のものを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ノーマルオープン型の弁を適用してもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１Ａの制御方法について図３および図４を参照して説明する。まず、運転者によってＩＧ４３がオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされると、このオフ信号を検知したＥＣＵ４１は、遮断弁２２を閉じて水素タンク２１から燃料電池１０のアノードへの水素の供給を停止し、エアポンプ３１を停止して燃料電池１０のカソードへの空気の供給を停止する。また、ＥＣＵ４１は、閉弁信号を出力することで第１の開閉バルブ３３および第２の開閉バルブ３４を閉じ、燃料電池１０のカソード流路１２を遮断して、燃料電池１０のカソードを封鎖する。

具体的には、ＥＣＵ４１から第１の開閉バルブ３３のソレノイド６１への通電を停止することにより、圧縮コイルばね５３の付勢力によってロッド５２ｂが押し下げられ、弁体５２の本体５２ａが弁座５１ｃに着座し、第１の開閉バルブ３３が閉状態となる。なお、第２の開閉バルブ３４についても同様にして閉状態となる。

このようにして、燃料電池１０の発電停止後において、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４とが閉状態となり、カソード流路１２（カソード）が封鎖されるので、車外の空気がエアポンプ３１、配管ｃ１、第１の開閉バルブ３３を通って、カソード（カソード流路１２）に流入することはない。また、背圧弁３５がノーマルオープン型の弁で構成されているので、車外の空気が配管ｃ７、希釈器３６、配管ｃ６、配管ｃ５、第２の開閉バルブ３４を通って、カソード（カソード流路１２）に流入することもない。

これにより、アノードとカソードとの間でのクロスリークによって、アノードやカソードにおいてＯＨラジカルなどの発生が抑制され、アノードおよびカソードの劣化が抑制される。その結果、燃料電池１０の劣化が抑制され、その耐久性が高められる。

ちなみに、本実施形態の燃料電池システム１Ａでは、燃料電池１０の発電停止時に第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４とが閉じている場合、例えば、いわゆるクロスリークによって、アノード側の水素が電解質膜を介してカソードに透過して、空気中の酸素と水素とが反応して消費され、またカソード側の空気が電解質膜を介してアノードに透過して、空気中の酸素と水素とが反応して消費され、カソード側に封鎖された空気が消費される。したがって、燃料電池１０の起動（ＩＧ−ＯＮ）前においては、圧力Ｐ２が大気圧以下となっている。

その後、運転者によってＩＧ４３がオン（ＩＧ−ＯＮ）にされると、このオン信号を検知したＥＣＵ４１は、ステップＳ１０において、第１の開閉バルブ３３および第２の開閉バルブ３４を開状態にする開弁信号を出力する。具体的に、ＥＣＵ４１は、駆動装置６０のソレノイド６１に通電し、弁装置５０の弁体５２を吸引して引き上げる制御を実行する。

そして、ステップＳ２０に進み、ＥＣＵ４１は、エアポンプ３１を駆動して空気（エア）の供給を開始するとともに、圧力センサ４２によって第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４との間の圧力Ｐ２の監視を開始する。なお、ＥＣＵ４１は、同時に遮断弁２２を開き、水素タンク２１から放出された水素を減圧弁２３で減圧した後に燃料電池１０のアノードに供給する。

そして、ステップＳ３０に進み、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２が上昇しないか否かを判断する。ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２が上昇しない、つまり圧力Ｐ２が負圧のままであると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４０に進み、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに閉故障（開指令を出力したにもかかわらず閉じたままの状態である故障）であると判断する。

つまり、第１の開閉バルブ３３および第２の開閉バルブ３４がともに閉故障している場合には、エアポンプ３１から供給される空気が第１の開閉バルブ３３を介して流入せず、配管ｃ７、希釈器３６、配管ｃ６，ｃ５からの空気が第２の開閉バルブ３４を介して流入しないため圧力Ｐ２は変化しない。よって、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに閉故障している場合には、圧力Ｐ２が変化することはない。

したがって、ステップＳ３０において、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２の変化がないと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４０に進み、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに故障していると判断する。

そして、ステップＳ９０に進み、ＥＣＵ４１は、リリーフバルブ３２を開く制御を行う。リリーフバルブ３２を開くことにより、エアポンプ３１から供給された空気が配管ｃ２を介して車外に開放されるので、配管ｃ１内の圧力が過度に高まるのを防止でき、配管ｃ１の破損を防止することが可能になる。

また、ステップＳ３０において、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２が上昇したと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５０に進み、圧力Ｐ２の上昇が大気圧までか否かを判断する。ステップＳ５０において、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２の上昇が大気圧まで、つまり負圧から大気圧まで上昇したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６０に進み、第１の開閉バルブ３３が閉故障している（第２の開閉バルブ３４のみが正常である）と判断する。なお、大気圧であるかどうかは、圧力センサ４２の値がほぼ０（ゲージ圧）であるか否かにより判定できる。

つまり、第１の開閉バルブ３３が閉故障している場合には、エアポンプ３１から供給される空気が第１の開閉バルブ３３を介して流入しないため圧力Ｐ２は上昇しないが、第２の開閉バルブ３４が正常に作動しているので、第２の開閉バルブ３４が開弁することで、圧力Ｐ２は第２の開閉バルブ３４の下流側の圧力と同等の圧力に上昇する。すなわち、第２の開閉バルブ３４の下流側の圧力は、背圧弁３５が開弁した状態で配管ｃ５，ｃ６、希釈器３６、配管ｃ７を介して車外（大気）と連通しているので、圧力Ｐ２は大気圧まで上昇する。

ステップＳ６０において、ＥＣＵ４１は、第１の開閉バルブ３３が閉故障していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ９０に進み、ＥＣＵ４１は、リリーフバルブ３２を開く制御を行う。

また、ステップＳ５０において、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２の上昇が大気圧を超えて上昇していると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７０に進み、圧力Ｐ２の上昇が所定以上であるか否かを判断する。圧力Ｐ２の上昇が所定以上とは、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに正常に作動しているときの圧力Ｐ２の上昇速度よりも速い上昇速度で圧力が変化する場合、あるいは前記した上昇速度は同じで第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに正常に作動しているときの圧力Ｐ２（目標エア圧力）よりも高い圧力に達する場合である。

ステップＳ７０において、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２が急上昇したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８０に進み、第２の開閉バルブ３４が閉故障している（第１の開閉バルブ３３のみが正常である）と判断する。

つまり、第２の開閉バルブ３４が閉故障している場合には、エアポンプ３１から供給される空気が第１の開閉バルブ３３を介して燃料電池１０のカソードに流れ込むが、燃料電池１０のカソードから排出された空気は、第２の開閉バルブ３４によってその流れが遮断されるので、圧力Ｐ２が例えば急上昇することになる。

ステップＳ８０において、ＥＣＵ４１は、第２の開閉バルブ３４が閉故障していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ９０に進み、リリーフバルブ３２を開く制御を行う。

また、ステップＳ７０において、ＥＣＵ４１は、圧力Ｐ２が急上昇しないと判断した場合には（Ｎｏ）、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに正常であると判断して、処理を終了する。

図４（ａ）に示すように、ＩＧ−ＯＮしたときに目標エア流量となるようにエアポンプ３１からエア（空気）を供給した場合、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに正常であれば、図４（ｂ）において実線で示すような圧力（Ｐ２）の挙動になる。これに対して、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに閉故障していれば、燃料電池１０の上流側からも下流側からも圧力が作用しないので、図４（ｂ）において破線で示すように圧力Ｐ２が負圧のまま変化することはない。また、第１の開閉バルブ３３のみが閉故障していれば、第２の開閉バルブ３４の下流側の圧力（大気圧）が作用するので、図４（ｂ）において一点鎖線で示すように、圧力Ｐ２の上昇が負圧から大気圧までとなる。また、第２の開閉バルブ３４のみが閉故障していれば、第１の開閉バルブの上流側の圧力（エアポンプ３１からの圧力）のみが作用するので、図４（ｂ）において二点鎖線で示すように、圧力Ｐ２の上昇速度が正常時の圧力Ｐ２の上昇速度（実線）よりも速くなる。

このように、圧力Ｐ２の挙動を監視することによって、第１の開閉バルブ３３のみが故障しているか、第２の開閉バルブ３４のみが故障しているか、あるいは第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の双方が故障しているかを的確に判断することができる。

ちなみに、図５は、第１の開閉バルブ３３の上流側の圧力をＰ１とし、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４との間の圧力をＰ２とし、第２の開閉バルブ３４の下流側の圧力をＰ３としたときの、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の故障パターンにおける圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各挙動をまとめたものである。なお、起動前の圧力Ｐ１は、エアポンプ３１を介して車外と連通しているので大気圧であり、また圧力Ｐ３は、配管ｃ５〜ｃ７等を介して車外と連通しているので大気圧である。

すなわち、第１の開閉バルブ３３のみが閉故障している場合には、第１の開閉バルブ３３によって空気の流れが遮断されるので圧力Ｐ１は大気圧から急上昇し、圧力Ｐ２は負圧から大気圧に変化し、圧力Ｐ３は大気圧のまま上昇しない。また、第２の開閉バルブ３４のみが閉故障している場合には、圧力Ｐ１は大気圧から急上昇し、圧力Ｐ２は負圧から急上昇し、圧力Ｐ３は大気圧のまま上昇しない。また第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４がともに閉故障している場合には、圧力Ｐ１は大気圧から急上昇し、圧力Ｐ２はまったく上昇せず、圧力Ｐ３は大気圧のまま上昇しない。

なお、第１の開閉バルブ３３のみが閉故障している場合と第２の開閉バルブ３４が閉故障している場合の圧力変化前（起動前）の圧力Ｐ２の状態が負圧であるのは、例えば、発電停止時に第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４とが遮断されてカソードが封鎖される燃料電池システム１Ａでは、カソード側に封鎖された空気が水素との反応によって消費され、大気圧以下となっていることによる。

このように、圧力Ｐ１〜Ｐ３における挙動では、圧力Ｐ１では、いずれの故障パターンの場合においても互いに同じ圧力挙動となり、また圧力Ｐ３では、いずれの故障パターンにおいても互いに同じ圧力挙動となることが見出された。しかし、圧力Ｐ２のみ、それぞれの故障パターンに応じてそれぞれ異なる圧力挙動を示すことが見出された。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１Ａの制御方法によれば、圧力センサ４２により第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４との間の圧力（Ｐ２）を監視することにより、第１の開閉バルブのみが閉故障しているのか、第２の開閉バルブ３４のみが閉故障しているのか、あるいは第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の双方が閉故障しているのかを的確に判断することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１Ａの制御方法によれば、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４のいずれかひとつの閉故障を判断できるので、故障後の処理を簡素化できる。つまり、従来のようにどちらの開閉バルブが故障しているか判断できない場合には、両方の開閉バルブとも交換する必要があり、それに伴って部品交換時間が長くなり、かつ、コスト高となる。しかし、本実施形態では、どちらの開閉バルブ（３３，３４）が故障しているかを的確に判断できるので、故障している開閉バルブのみを交換すればよいので、部品交換時の時間短縮やコスト低減を図ることができる。

また、本実施形態によれば、第１の開閉バルブ３３、第２の開閉バルブ３４の少なくとも一方が故障していると判断した場合には、リリーフバルブ３２を開いて圧力を開放するので、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４内の圧力異常上昇による配管の破損や、燃料電池１０の破損を防止することができる。

すなわち、第１の開閉バルブ３３のみが閉故障している場合には、第１の開閉バルブ３３の上流側の配管ｃ１の破損を防止できる。また、第２の開閉バルブのみが閉故障している場合には、第２の開閉バルブ３４の上流側の配管ｃ１，ｃ３，ｃ４の破損および燃料電池１０の破損を防止できる。また、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の双方が閉故障した場合には、第１の開閉バルブ３３の上流側の配管ｃ１の破損を防止できる。

図６は、本実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの変形例を示す全体構成図である。この燃料電池システム１Ｂは、リリーフバルブ３２の開放側を、配管ｃ８を介して希釈器３６に接続した点において燃料電池システム１Ａと異なっている。

この燃料電池システム１Ｂでは、図２に示すフローチャートに基づいて、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の少なくともひとつが閉故障していると判断された場合には、ＥＣＵ４１によってリリーフバルブ３２を開くことにより、第１の開閉バルブ３３の上流側または第２の開閉バルブ３４の上流側の空気の圧力が配管ｃ８を介して希釈器３６、配管ｃ７から大気中に開放される。

すなわち、第１の開閉バルブ３３のみが閉故障している場合には、リリーフバルブ３２を開くことで、配管ｃ１内の圧力が配管ｃ８を介して開放され、配管ｃ１の破損を防止できる。また、第２の開閉バルブ３４のみが閉故障している場合には、リリーフバルブ３２を開くことで、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４およびカソード流路１２内の圧力が配管ｃ８を介して開放され、配管ｃ１，ｃ３，ｃ４の破損および燃料電池１０の破損を防止できる。また、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の双方が閉故障している場合には、配管ｃ１内の圧力が配管ｃ８を介して開放され、配管ｃ１の破損を防止できる。

図７は、本実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池システム１Ｃは、アノードに供給される水素の圧力調整を、空気の供給圧を信号圧として行う圧力調整機構を減圧弁２３に適用した構成である。この信号圧配管ｃ１０とオリフィス３７とで圧力調整機構が構成されている。

信号圧配管ｃ１０は、上流側の端部が配管ｃ１に接続され、エアポンプ３１の下流の供給圧を信号圧（パイロット圧）として行い、下流側の端部が減圧弁２３に形成された信号圧導入ポート（図示せず）に接続されている。空気の供給圧を信号圧として水素の圧力調整を行う減圧弁としては公知のものを適用できる。

オリフィス３７は、信号圧配管ｃ１０に設けられ、減圧弁２３に入力される圧力変動を大きくさせないようになっている。

したがって、ＥＣＵ４１によって、エアポンプ３１が駆動されてカソードに空気が供給され、遮断弁２２が開弁されてアノードに水素が供給される際に、エアポンプ３１から供給さる空気の圧力に応じて減圧弁２３から供給される水素の圧力が変動する。例えば、車両の加速時において、エアポンプ３１からの供給圧力が増加した際には、減圧弁２３からアノードに供給される水素の圧力も増加するようになっている。また、エアポンプ３１が停止した際には、減圧弁２３が閉じて、水素タンク２１からアノードに新たに水素が供給されないようになっている。

よって、このような燃料電池システム１Ｃでは、図２に示すフローチャートに基づいて、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の少なくともひとつが閉故障していると判断された場合には、エアポンプ３１を停止して空気の供給を停止するので、アノードに供給される水素の圧力も低下して、燃料電池１０のアノードとカソードとの極間差圧の拡大による燃料電池１０の膜破損といった不具合を防止できる。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば燃料電池システム１Ａ，１Ｂにおいて、リリーフバルブ３２を設けずに、第１の開閉バルブ３３と第２の開閉バルブ３４の少なくともひとつが閉故障していると判断した場合には、ＥＣＵ４１によってエアポンプ３１を停止するようにしてもよい。

１Ａ〜１Ｃ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３２ リリーフバルブ
３３ 第１の開閉バルブ
３４ 第２の開閉バルブ
３７ オリフィス（圧力調整機構）
４１ ＥＣＵ（カソード封鎖可能手段）
４２ 圧力センサ（圧力測定手段）
４３ イグニッションスイッチ
ｃ１〜ｃ７ 配管（酸化剤ガス流路）
ｃ８ 信号圧配管（圧力調整機構）

Claims (3)

1. アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、
   前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、
   前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、
   前記燃料電池の発電停止後に前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを閉状態として前記カソードを封鎖し、前記燃料電池の発電中には前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとを開状態として前記カソードを開放するカソード封鎖可能手段と、
   前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとの間の圧力を測定する圧力測定手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブへの開弁信号が出力され、前記カソードへの酸化剤ガスの供給が開始された際に前記圧力測定手段により測定された圧力の変化を監視し、
   前記圧力が、大気圧以下の状態から前記カソードへの酸化剤ガスの供給開始前の圧力に対して圧力上昇を示さない場合には、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブの双方が閉故障と判定し、
   前記圧力が、大気圧以下の状態から大気圧を超えて上昇しない場合には、前記第１の開閉バルブの閉故障と判定し、
   前記圧力上昇が、大気圧以下の状態から所定以上を示す場合には、前記第２の開閉バルブの閉故障と判定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 前記第１の開閉バルブの上流にリリーフバルブを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記第１の開閉バルブおよび前記第２の開閉バルブの少なくともひとつが故障と判定されたときには、前記リリーフバルブを開弁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の制御方法。
3. 前記アノードに供給される燃料ガスの圧力調整を、前記酸化剤ガスの供給圧を信号圧として行う圧力調整機構を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記第１の開閉バルブおよび前記第２の開閉バルブの少なくともひとつが故障と判定されたときには、前記酸化剤ガスの供給を停止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の制御方法。

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