特許 7208832 燃料電池システム、車両および燃料電池システムの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-11

(45)【発行日】2023-01-19

(54)【発明の名称】燃料電池システム、車両および燃料電池システムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230112BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20230112BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20230112BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20230112BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20230112BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20230112BHJP

   B60L 50/70 20190101ALI20230112BHJP

   B60L 58/30 20190101ALI20230112BHJP

   H01M 8/00 20160101ALN20230112BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

H01M8/04664

H01M8/04746

H01M8/04302

H01M8/04858

H01M8/04537

B60L50/70

B60L58/30

H01M8/00 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019041398

(22)【出願日】2019-03-07

(65)【公開番号】P2020145091

(43)【公開日】2020-09-10

【審査請求日】2021-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100195006

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 勇蔵

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 博之

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１５０２５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－４５６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－７４１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３５３５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－５９３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－９５３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１４０６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１００８２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットを制御する制御部と、前記燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記電圧検出部によって検出された前記燃料電池セルの電圧と、前記燃料電池セルの電圧に関して予め設定された異常確定条件とを比較し、
前記燃料電池セルの電圧が前記異常確定条件を満たす場合に、前記燃料電池内に存在する気体を排気する処理と、前記燃料電池に水素を供給する処理とを含む処理サイクルを繰り返す水素欠乏復帰制御処理を実行する、燃料電池システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記処理サイクルにおいて、前記燃料電池内に存在する気体を排気する処理を行った後で、前記燃料電池に水素を供給する処理を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御部は、燃料電池システムの起動時に、前記水素欠乏復帰制御処理を実行する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記処理サイクルは、前記燃料電池内に存在する気体を排気する処理と、前記燃料電池に水素を供給する処理と、前記気体の排気および前記水素の供給のいずれも行うことなく待機する処理とを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御部は、軽負荷状態に切り替えた状態で、前記水素欠乏復帰制御処理を実行する、請求項１～４のいずれか一項に燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃料電池内に存在する気体を排気するときの排気目標圧力が大気圧より高く設定されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両。

【請求項8】

燃料電池を構成する燃料電池セルの電圧を検出する工程と、
前記検出した前記燃料電池セルの電圧と、前記燃料電池セルの電圧に関して予め設定された異常確定条件とを比較する工程と、
前記燃料電池セルの電圧が前記異常確定条件を満たす場合に、前記燃料電池内に存在する気体を排気する処理と、前記燃料電池に水素を供給する処理とを含む処理サイクルを繰り返す水素欠乏復帰制御処理を実行する工程と、
を有する、燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システム、車両および燃料電池システムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、燃料電池セルを有する燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。このため、燃料電池を備える燃料電池ユニットには、燃料電池に水素を供給する手段と、燃料電池に酸素を供給する手段とが設けられている。燃料電池ユニットにおいては、何らかの理由により、燃料電池セルで水素が欠乏する現象（以下、「水素欠乏」という。）が発生する場合がある。そのような場合に発電を継続すると、燃料電池セルの構成部分に含まれるカーボンの酸化などによって燃料電池セルが劣化するおそれがある。

【0003】

水素欠乏に関して、たとえば特許文献１には、燃料電池で水素欠乏が発生した場合に、燃料電池の暖機運転を禁止または燃料電池の出力制限をする技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５４３５３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、水素欠乏の発生に際して、燃料電池の暖機運転を禁止または燃料電池の出力制限をするだけでは、水素欠乏の状態を根本的に解消することはできない。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、水素欠乏による燃料電池セルの劣化を抑制し、かつ、水素欠乏の状態を解消することができる、燃料電池システム、車両および燃料電池システムの制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを制御する制御部と、燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、を備えた燃料電池システムであって、制御部は、電圧検出部によって検出された燃料電池セルの電圧と、燃料電池セルの電圧に関して予め設定された異常確定条件とを比較し、燃料電池セルの電圧が異常確定条件を満たす場合に、燃料電池内に存在する気体を排気する処理と、燃料電池に水素を供給する処理とを含む処理サイクルを繰り返す水素欠乏復帰制御処理を実行する。

【0008】

本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、処理サイクルにおいて、燃料電池内に存在する気体を排気する処理を行った後で、燃料電池に水素を供給する処理を行ってもよい。

【0009】

本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池システムの起動時に、水素欠乏復帰制御処理を実行してもよい。

【0010】

本発明に係る燃料電池システムにおいて、処理サイクルは、燃料電池内に存在する気体を排気する処理と、燃料電池に水素を供給する処理と、気体の排気および水素の供給のいずれも行うことなく待機する処理とを含むものであってもよい。

【0011】

本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、軽負荷状態に切り替えた状態で、水素欠乏復帰制御処理を実行してもよい。

【0012】

本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池内に存在する気体を排気するときの排気目標圧力が大気圧より高く設定されていてもよい。

【0013】

本発明は、上記構成の燃料電池システムを搭載した車両であってもよい。

【0014】

本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池を構成する燃料電池セルの電圧を検出する工程と、検出した燃料電池セルの電圧と、燃料電池セルの電圧に関して予め設定された異常確定条件とを比較する工程と、燃料電池セルの電圧が異常確定条件を満たす場合に、燃料電池内に存在する気体を排気する処理と、燃料電池に水素を供給する処理とを含む処理サイクルを繰り返す水素欠乏復帰制御処理を実行する工程と、を有する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、水素欠乏による燃料電池セルの劣化を抑制し、かつ、水素欠乏の状態を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。

【図2】セルモニタと燃料電池の接続状態を示す概略図である。

【図3】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するための模式図である。

【図4】水素欠乏復帰制御処理を説明するための模式図である。

【図5】スタック構造を有する燃料電池内のアノードガスの成分割合を示す図である。

【図6】排気と水素供給の繰り返しによって燃料電池セル内の水素分圧が改善される様子を示す模式図である。

【図7】図１の燃料電池システムを搭載した車両における、燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
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を示す概略図である。
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池ユニット１１と、この燃料電池ユニット１１を制御する制御部１２とを備えている。

【0018】

燃料電池ユニット１１は、燃料電池１５を備えている。燃料電池１５は、複数の燃料電池セル１６を積層したスタック構造を有している。各々の燃料電池セル１６は、図示はしないが、電解質膜の両面を２つのセパレータで挟んだ構造になっている。電解質膜の一方の面にはカソード電極が配置され、電解質膜の他方の面にはアノード電極が配置される。また、燃料電池１５は、第１エンドプレート２１と、第１絶縁板２２と、第１集電板２３と、複数の燃料電池セル１６と、第２集電板２４と、第２絶縁板２５と、第２エンドプレート２６とを、この順に積層したスタック構造となっている。

【0019】

燃料電池１５には、水素供給ユニット３１とエア供給ユニット３２とが接続されている。水素供給ユニット３１は、燃料ガスとなる水素を燃料電池１５に供給するためのユニットである。水素供給ユニット３１は、水素タンク３４と、タンクバルブ３５と、レギュレータ３６と、インジェクタ３７と、水素供給配管３８と、圧力センサ３９とを有している。圧力センサ３９は、燃料電池１５における水素の圧力（以下、「水素圧」ともいう。）を検出するセンサである。圧力センサ３９の検出結果は制御部１２に与えられる。水素タンク３４に貯蔵された水素は、タンクバルブ３５およびレギュレータ３６を経由してインジェクタ３７に供給され、インジェクタ３７の連続的な開閉動作により、水素供給配管３８および圧力センサ３９を経由して燃料電池１５に供給される。

【0020】

エア供給ユニット３２は、酸素を含むエアを燃料電池１５に供給するためのユニットである。エア供給ユニット３２は、エアコンプレッサ４０と、エア供給配管４１とを有している。エアコンプレッサ４０は、大気から吸引したエアを圧縮する。エアコンプレッサ４０が圧縮したエアは、エア供給配管４１を通して燃料電池１５に供給される。

【0021】

また、燃料電池１５には、排出配管４３と、冷却ユニット４４と、排出ユニット４５と、水素循環ユニット４６とが接続されている。排出配管４３は、燃料電池１５から排出されるカソードオフガスを大気中に排出するための配管である。冷却ユニット４４は、燃料電池１５を冷却するためのユニットである。冷却ユニット４４は、温度センサ５１と、配管５２と、ラジエータ５３と、ポンプ５４と、配管５５とを有している。冷却ユニット４４は、水などの冷却媒体をポンプ５４によって循環させることにより、燃料電池１５の熱を回収するとともに、回収した熱をラジエータ５３によって大気中に放出させることにより、燃料電池１５を冷却する。温度センサ５１は、配管５２を流れる冷却媒体の温度を検出するセンサである。温度センサ５１の検出結果は制御部１２に与えられる。

【0022】

排出ユニット４５は、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスを排出するためのユニットである。排出ユニット４５は、排気排水弁６１と、排出配管６２とを有している。排気排水弁６１は、カソードオフガスとこれに含まれる生成水とを、排出配管６２を通して大気中に排出するための弁である。

【0023】

水素循環ユニット４６は、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を、水素供給配管３８を通して再び燃料電池１５に供給するためのユニットである。水素循環ユニット４６は、水素循環用の水素ポンプ６５と、水素循環路６６とを有している。燃料電池１５から排出されるアノードオフガスに含まれる水素は、水素ポンプ６５により水素循環路６６を通して水素供給配管３８に流入し、水素供給配管３８を通して燃料電池１５に供給される。

【0024】

燃料電池ユニット１１は、上述した燃料電池１５、水素供給ユニット３１、エア供給ユニット３２、排出配管４３、冷却ユニット４４、排出ユニット４５および水素循環ユニット４６を備えるものである。

【0025】

燃料電池１５にはセルモニタ７１が電気的に接続されている。セルモニタ７１は、燃料電池セル１６の電圧を検出する電圧検出部を構成するものである。セルモニタ７１は、図２に示すように、スタック構造をなす複数の燃料電池セル１６に対して個別に接続されている。この接続状態のもとで、セルモニタ７１は、各々の燃料電池セル１６ごとに、燃料電池セル１６の電圧（以下、「セル電圧」ともいう。）を検出する。セルモニタ７１によるセル電圧の検出結果は制御部１２に与えられる。

【0026】

また、図１に示すように、燃料電池１５にはＤＣ／ＤＣコンバータ７５が電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、燃料電池１５から出力される直流電力を所定の電圧レベルに降圧して出力するものである。蓄電池７６は、燃料電池１５によって得られる余剰電力、または、負荷７８によって発生する回生電力を蓄電するものである。蓄電池７６は、たとえば、充放電可能なリチウムイオン電池などの二次電池によって構成される。インバータ７７は、燃料電池１５からＤＣ／ＤＣコンバータ７５を経て出力される直流電力や、蓄電池７６から出力される直流電力を、それぞれ交流電力に変換して負荷７８に出力するものである。負荷７８は、電力の供給を受けて電気的または機械的に動作するものであって、たとえば、車両走行用のモータを含む。

【0027】

制御部１２は、たとえば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路などを備えたコンピュータによって構成される。制御部１２は、燃料電池ユニット１１を制御するために、セルモニタ７１およびＤＣ／ＤＣコンバータ７５の他に、レギュレータ３６、インジェクタ３７、圧力センサ３９、温度センサ５１、排気排水弁６１および水素ポンプ６５に、それぞれ電気的に接続されている（図１の符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇを参照）。レギュレータ３６、インジェクタ３７、排気排水弁６１、水素ポンプ６５およびＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、それぞれ制御部１２から与えられる指令に基づいて動作する。

【0028】

上記構成からなる燃料電池システムにおいては、水素供給ユニット３１によって燃料電池１５に供給された水素と、エア供給ユニット３２によって燃料電池１５に供給されたエアに含まれる酸素とが、燃料電池１５内で各々の燃料電池セル１６に分配して供給される。その際、燃料電池セル１６のアノード側には水素が供給され、燃料電池セル１６のカソード側には酸素が供給される。これにより、燃料電池セル１６は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。

【0029】

ここで、何らかの理由により、いずれかの燃料電池セル１６で水素欠乏が発生すると、この燃料電池セル１６の電圧が低下する。水素欠乏は、たとえば、氷点下の環境で燃料電池システムを起動するときに、燃料電池セル１６内の凍結が原因で発生する。水素欠乏が発生した場合に燃料電池１５の発電を継続すると、水素欠乏を起こしている燃料電池セル１６の電圧が徐々に低下する。そして、燃料電池セル１６の電圧が負電圧となって所定の電圧値を下回ると、カーボンの酸化などによって燃料電池セル１６が劣化するおそれがある。そこで、本発明実施形態においては、上記構成の燃料電池システムを以下のように制御することにより、燃料電池セル１６の劣化を抑制する。

【0030】

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するための模式図である。燃料電池システムの制御方法は、制御部１２の制御下で行われる。
図３の上段はセル電圧の経時的な変化を示し、図３の下段は制御部１２による制御処理のタイムチャートを示している。このタイムチャートには、水素欠乏復帰制御処理の実行状態、燃料電池１５の発電状態、および、エラーフラグの状態を示している。また、水素欠乏復帰制御処理を実行している場合をＯＮと記載し、実行していない場合をＯＦＦと記載している。エラーフラグは、燃料電池システムを停止させる必要のあるエラーが発生した場合にＯＮ状態となり、それ以外はＯＦＦ状態に保持される。

【0031】

まず、制御部１２は、セルモニタ７１から与えられる検出結果に基づいて、各々の燃料電池セル１６の電圧を監視する。具体的には、セルモニタ７１によって検出される燃料電池セル１６の電圧と、燃料電池セル１６の電圧に関して予め設定された異常確定条件とを比較する。異常確定条件は、燃料電池セル１６の電圧が異常であることを確定するために予め設定される条件である。

【0032】

異常確定条件は、たとえば次のように設定される。まず、水素欠乏の発生によって燃料電池セル１６の電圧が低下した場合に、カーボンの酸化などによって燃料電池セル１６が劣化し始める電圧がＶ１であるとする。そうすると、制御部１２には、異常確定条件としての閾値電圧Ｖ２が、上記の電圧Ｖ１よりも高い電圧値で設定される。閾値電圧Ｖ２は、セルモニタ７１によって検出される燃料電池セル１６の電圧が異常確定条件を満たすかどうかを判断するために制御部１２に設定される電圧である。

【0033】

制御部１２は、セルモニタ７１によって検出される燃料電池セル１６の電圧が異常確定条件を満たさない場合、すなわちセル電圧が閾値電圧Ｖ２以上である場合は、水素欠乏復帰制御処理（詳細は後述）を実行せずに、燃料電池１５の発電状態を発電中に維持する。より具体的に記述すると、制御部１２は、すべての燃料電池セル１６の電圧が閾値電圧Ｖ２以上であれば、水素欠乏復帰制御処理を実行せずに燃料電池１５の発電を継続する。

【0034】

また、制御部１２は、セルモニタ７１によって検出される燃料電池セル１６の電圧が異常確定条件を満たす場合、すなわちセル電圧が閾値電圧Ｖ２未満である場合は、予め決められた時間Ｔだけ水素欠乏復帰制御処理を実行するとともに、燃料電池１５の発電状態を発電中から発電停止へと切り替える。より具体的に記述すると、制御部１２は、複数の燃料電池セル１６のうち、少なくともいずれか１つの燃料電池セル１６の電圧が異常確定条件を満たす場合に、燃料電池１５の発電を停止して水素欠乏復帰制御処理を実行する。燃料電池１５の発電停止は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７５から負荷７８への電力供給を制御部１２が停止することにより行われる。このとき、制御部１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７５を制御して燃料電池１５の出力電流をゼロにするため、セル電圧は開放電圧（ＯＣＶ）レベルまで上昇する。ただし、燃料電池セル１６の水素欠乏を解消しないまま燃料電池１５の発電を再開すると、セル電圧は再び閾値電圧Ｖ２未満に低下してしまう。そこで、制御部１２は、以下に述べる水素欠乏復帰処理を実行することにより、水素欠乏の状態を改善する。

【0035】

図４は、水素欠乏復帰制御処理を説明するための模式図である。
図４の上段は燃料電池１５における水素圧の経時的な変化を示し、図４の下段は制御部１２による制御処理のタイムチャートを示している。
図４に示すように、制御部１２が実行する水素欠乏復帰制御処理では、燃料電池１５内に存在する気体を排気する処理（以下、「排気処理」ともいう。）ａと、燃料電池１５に水素を供給する処理（以下、「水素供給処理」ともいう）ｂと、燃料電池１５に対して気体の排気および水素の供給のいずれも行うことなく待機する処理（以下、「待機処理」ともいう。）ｃとを含む処理サイクル８１を、上述した時間Ｔ（図３参照）内で複数回繰り返す。

【0036】

水素欠乏復帰制御処理は、図４に示すように、水素ポンプ６５の動作を停止した状態で実行される。このため、制御部１２は、水素欠乏復帰制御処理の開始時に水素ポンプ６５の動作を停止させる。また、水素欠乏復帰制御処理において、制御部１２は、まず、排気処理ａを行う。排気処理ａに際して、制御部１２は、排気排水弁６１を開状態とし、かつ、インジェクタ３７を閉状態とする。これにより、排気処理ａにおいては、水素タンク３４から燃料電池１５への水素の供給が停止されると共に、排気排水弁６１の開放により燃料電池１５内の気体が排出配管６２を通して排気される。そうすると燃料電池１５の水素圧が徐々に低下する。このとき、制御部１２は、圧力センサ３９によって検出される燃料電池１５の水素圧を監視する。そして、燃料電池１５の水素圧が排気目標圧力Ｐ２に達したら、排気処理ａを終える。排気目標圧力Ｐ２は、燃料電池１５内に存在する気体を排気処理ａによって排気するときに目標とすべき圧力として予め設定されるものである。このため、制御部１２は、燃料電池１５の水素圧が排気目標圧力Ｐ２まで低下したら排気処理ａを停止する。排気処理ａに適用する排気目標圧力Ｐ２は、大気圧Ｐ１よりも高い圧力に設定される。排気目標圧力Ｐ２を大気圧Ｐ１よりも高い圧力に設定することにより、排気処理ａで排気排水弁６１を開状態とした場合に、燃料電池１５内への大気の逆流が抑制される。

【0037】

次に、制御部１２は、水素供給処理ｂを行う。水素供給処理ｂに際して、制御部１２は、排気排水弁６１を閉状態とし、かつ、インジェクタ３７を開状態とする。これにより、水素供給処理ｂでは、排気排水弁６１の閉止によって燃料電池１５内の気体が閉じ込められると共に、インジェクタ３７の開動作により水素タンク３４から燃料電池１５へと水素が供給される。そうすると燃料電池１５の水素圧が徐々に上昇する。このとき、制御部１２は、圧力センサ３９によって検出される燃料電池１５の水素圧を監視する。そして、燃料電池１５の水素圧が水素供給目標圧Ｐ３に達したら、水素供給処理ｂを終える。水素供給目標圧力Ｐ３は、燃料電池１５に水素を供給するときに目標とすべき圧力として予め設定されるものである。このため、制御部１２は、燃料電池１５の水素圧が水素供給目標圧力Ｐ３まで上昇したら水素供給処理ｂを停止する。水素供給処理ｂに適用する水素供給目標圧力Ｐ３は、たとえば、水素欠乏復帰制御処理を開始する前の水素圧にあわせて設定される。

【0038】

次に、制御部１２は、待機処理ｃを行う。待機処理ｃに際して、制御部１２は、排気排水弁６１およびインジェクタ３７をいずれも閉状態とする。これにより、待機処理ｃでは、燃料電池１５に対して気体の排気および水素の供給のいずれも行われない。この待機処理ｃを行うことにより、水素供給処理ｂによって燃料電池１５に供給された水素が複数の燃料電池セル１６に行き渡るとともに、各々の燃料電池セル１６で水素濃度が均一化される。以上で、１回の処理サイクル８１が終了となる。

【0039】

その後、制御部１２は、再び排気処理ａを行う。以降は、水素欠乏復帰制御処理を実行している間、各々の処理サイクル８１において、排気処理ａ、水素供給処理ｂおよび待機処理ｃが、この順に繰り返される。そして、図３に示すように、水素欠乏復帰制御処理を開始してから所定の時間Ｔが経過すると、制御部１２は、水素欠乏復帰制御処理を終了し、燃料電池１５の発電を再開する。この段階では水素欠乏復帰制御処理の実行によって水素欠乏の状態が解消されているため、セル電圧は水素欠乏が発生する前の電圧レベルに回復するとともに、エラーフラグはＯＦＦ状態となる。

【0040】

上述した水素欠乏復帰制御処理を実行することにより、水素欠乏を起こした燃料電池セル１６の内部では水素分圧が改善される。その理由を図５および図６を用いて説明する。
図５は、スタック構造を有する燃料電池内のアノードガスの成分割合を示している。
図５においては、アノードガスの成分割合として、水素が８０％、その他の不純物ガスが２０％である燃料電池セル１６の他に、水素の割合が５０％、その他の不純物ガスの割合が５０％である燃料電池セル１６が存在する。このうち、水素の割合が８０％の燃料電池セル１６では水素欠乏が発生しておらず、水素の割合が５０％の燃料電池セル１６では水素欠乏が発生していると仮定する。

【0041】

そうした場合、水素欠乏が発生した燃料電池セル１６では、制御部１２が実行する水素欠乏復帰制御処理において、排気処理ａと水素供給処理ｂとを含む処理サイクル８１を繰り返すことにより、燃料電池セル１６内の水素分圧が図６のように改善される。具体的には、水素欠乏復帰制御処理において、まず排気処理ａを行うと、燃料電池セル１６内の気体の総量が減少し、次いで水素供給処理ｂを行うと、燃料電池セル１６内の気体に占める水素の割合が増え、その分だけセル内の水素分圧が高くなる。その後、再び排気処理ａを行うと、燃料電池セル１６内の気体の総量が減少し、次いで水素供給処理ｂを行うと、燃料電池セル１６内の気体に占める水素の割合が更に増え、その分だけセル内の水素分圧が高くなる。つまり、水素欠乏復帰制御処理において、排気処理ａと水素供給処理ｂとを含む処理サイクル８１を繰り返すことにより、燃料電池セル１６内の水素分圧が改善される。

【0042】

また、排気処理ａに適用する排気目標圧力Ｐ２と水素供給処理ｂに適用する水素供給目標圧力Ｐ３との関係を、Ｐ２／Ｐ３で表すと、排気処理ａと水素供給処理ｂとを行った後に残る不純物ガスの割合は、Ｐ２／Ｐ３の値が小さいほど少なくなる。Ｐ２／Ｐ３の値は、好ましくは、０．５以下（ただし、０を含まず）である。Ｐ２／Ｐ３の値を０．５以下に設定することにより、燃料電池セル１６の水素欠乏を効率良く解消することができる。ちなみに、Ｐ２／Ｐ３の値を０．５に設定した場合は、排気処理ａと水素供給処理ｂとを含む処理サイクル８１を４回繰り返すことにより、不純物ガスの割合を１／１０以下に減らすことができる。

【0043】

図７は、図１の燃料電池システムを搭載した車両における、燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。なお、燃料電池システムを搭載した車両としては、たとえば、燃料電池式自動車、燃料電池式産業車両、燃料電池式建設機械用車両などを挙げることができる。

【0044】

まず、燃料電池システムは、車両のキーオン操作が行われることにより起動する。燃料電池システムの起動時において、制御部１２は、温度センサ５１によって検出される冷却媒体の温度が氷点下であるかどうかを確認する（ステップＳ１）。そして、冷却媒体の温度が氷点下でなければ、ステップＳ１からステップＳ２へと移行し、通常モードで燃料電池ユニット１１を始動する（ステップＳ２）。これにより、燃料電池１５が通常どおりに発電を開始するため、車両動作が可能な状態となる（ステップＳ３）。車両動作とは、たとえば車両走行用のモータの回転駆動によって行われる動作、すなわち車両の走行動作をいう。

【0045】

これに対し、冷却媒体の温度が氷点下であった場合は、ステップＳ１からステップＳ４へと進む。ステップＳ４において、制御部１２は、氷点下始動時に適用される暖機モードで燃料電池ユニット１１を始動する（ステップＳ４）。暖機モードは、燃料電池１５を急速に暖機するために燃料電池ユニット１１を暖機運転で始動するモードである。暖機運転では、エア供給ユニット３２によって燃料電池１５に供給されるエアの量を少なくして燃料電池１５の発熱量を増加させ、燃料電池１５の発熱を利用して燃料電池１５を暖機する。

【0046】

次に、制御部１２は、セルモニタ７１を用いて燃料電池セル１６の電圧を検出する（ステップＳ５）。次に、制御部１２は、セルモニタ７１を用いて検出した燃料電池セル１６の電圧と、異常確定条件として予め設定された閾値電圧Ｖ２とを比較することにより、燃料電池セル１６の電圧が閾値電圧Ｖ２未満であるかどうかを確認する（ステップＳ６）。そして、燃料電池セル１６の電圧が閾値電圧Ｖ２未満でなければ、ステップＳ６からステップＳ７へと進む。ステップＳ７において、制御部１２は、暖機運転が完了したかどうかを判断する。具体的には、制御部１２は、温度センサ５１によって検出される冷却媒体の温度が、予め設定された暖機運転完了温度以上に上昇したかどうかを確認する。そして、冷却媒体の温度が暖機運転完了温度未満であればステップＳ６に戻る。また、冷却媒体の温度が暖機運転完了温度以上であれば、暖機運転を終えてステップＳ８へと進み、車両動作が可能な状態となる。

【0047】

一方、ステップＳ６において、燃料電池セル１６の電圧が閾値電圧Ｖ２未満である場合は、ステップＳ６からステップＳ９へと移行する。ステップＳ９において、制御部１２は、燃料電池１５の発電を停止する。次に、制御部１２は、水素欠乏復帰制御処理を実行する（ステップＳ１０）。このとき、制御部１２は、軽負荷状態に切り替えた状態で、水素欠乏復帰制御処理を実行する。軽負荷状態とは、負荷７８によって消費される電力量（以下、「消費電力量」という。）が少ない状態をいい、より具体的には、燃料電池１５の発電を停止可能な程度に消費電力量が少ない状態をいう。軽負荷状態の一例を挙げると、車両の走行が停止している状態である。このように軽負荷状態のもとで水素欠乏復帰制御処理を実行することにより、電力収支の破綻や燃料電池システムの破損を抑制することができる。次に、制御部１２は、燃料電池１５の発電を再開する（ステップＳ１１）。その後は、ステップＳ１１からステップＳ６に戻る。

【0048】

上述した本発明の実施形態においては、セルモニタ７１によって検出された燃料電池セル１６の電圧が異常確定条件を満たす場合に、燃料電池１５内に存在する気体を排気する排気処理ａと、燃料電池１５に水素を供給する水素供給処理ｂとを繰り返す水素欠乏復帰制御処理を実行する構成を採用している。水素欠乏復帰制御処理において、排気処理ａと水素供給処理ｂとを含む処理サイクル８１を繰り返すと、水素欠乏を起こした燃料電池セル１６内の水素分圧が改善される。これにより、水素欠乏による燃料電池セル１６の劣化を抑制し、かつ、水素欠乏の状態を解消することができる。その結果、燃料電池システムを停止させることなく、燃料電池１５の発電を再開させることが可能となる。

【0049】

また、水素欠乏復帰制御処理を実行する場合は、処理サイクル８１において、排気処理ａを行った後で水素供給処理ｂを行うことにより、これと逆の順序、すなわち水素供給処理ｂを行った後で排気処理ａを行う場合に比べて、燃料電池セル１６内の水素分圧を効率良く改善することができる。

【0050】

また、燃料電池セル１６の水素欠乏は、氷点下の環境で燃料電池システムを起動する場合に起こりやすい。このため、燃料電池システムの起動時に水素欠乏復帰制御処理を実行すれば、水素欠乏による燃料電池セル１６の劣化をより効果的に抑制することができる。

【0051】

また、水素欠乏復帰制御処理を実行する場合に、排気処理ａと水素供給処理ｂと待機処理ｃとを含む処理サイクル８１を繰り返すことにより、水素供給処理ｂによって燃料電池１５に供給された水素を、複数の燃料電池セル１６全体に行き渡らせることができる。このため、燃料電池１５内において、各々の各燃料電池セル１６の水素濃度を均一化することができる。

【0052】

また、軽負荷状態に切り替えた状態で水素欠乏復帰制御処理を実行することにより、電力収支の破綻や燃料電池システムの破損を抑制することができる。

【0053】

また、水素欠乏復帰制御処理において、燃料電池１５内に存在する気体を排気するときの排気目標圧力を大気圧より高い圧力に設定することにより、燃料電池１５内への大気の逆流を抑制することができる。

【0054】

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

【0055】

たとえば、上記実施形態においては、水素欠乏復帰制御処理を実行する期間を時間Ｔで管理しているが、本発明はこれに限らず、たとえば、排気処理ａ、水素供給処理ｂおよび待機処理ｃの繰り返し回数で管理してもよい。

【0056】

また、上記実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムを一例に挙げたが、本発明の燃料電池システムは車両用に限らず、たとえば定置用など、様々な用途に広く適用可能である。

【符号の説明】

【0057】

１１ 燃料電池ユニット、１２ 制御部、１５ 燃料電池、１６ 燃料電池セル、７１ セルモニタ（電圧検出部）、８１ 処理サイクル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】