JP5128032B2

JP5128032B2 - 燃料電池の運転方法

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Publication number: JP5128032B2
Application number: JP2001203939A
Authority: JP
Inventors: 卓哉杉野; 純鈴木; 伸高中島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: US7087334B2; CA2390221C; JP2003017094A; DE10229644B4; CA2390221A1; US20030008185A1; DE10229644A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池の運転方法に関し、特に、水素漏れに対する安全管理に優れた燃料電池の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極とを備えたものがある。この燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
ところで、水素ガスは可燃性ガスであるため、大気中への漏洩には十分な注意が必要であり、一般に水素を取り扱う場所では、安全管理上、水素濃度をモニターして、検出した水素濃度の大きさに応じて必要な措置を施すようにしており、水素ガスを燃料とする燃料電池も例外ではない。その一方で、水素は透過性の高い物質であるため完全に遮断するのは極めて難しく、特に、前述した固体高分子電解質膜型の燃料電池は積層構造をなすため、燃料電池から水素が漏出するのを完全に遮断するのは難しい。
【０００４】
そこで、従来は、燃料電池の近傍に水素濃度を検出する水素センサを設置し、水素センサが所定水素濃度以上を検出した場合には、警報を発したり、燃料電池の運転を停止させたりしている。
また、例えば、特開平８−３１４３６号公報に開示されているように、燃料電池を換気可能なボックスに収納し、ボックス内に水素濃度を検出する水素センサを設置してボックス内の水素濃度を常時監視し、水素センサで検出された水素濃度が所定値を越えたときには、換気ファンを運転して強制換気し、ボックス内の水素濃度を低減するようにしたものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように水素センサで所定水素濃度を検知したときに警報や運転停止を行うシステムの場合には、予見性がなく緊急停止してしまうときがある。燃料電池自動車の場合に、このように燃料電池の運転が緊急停止してしまうと、修理をする場所まで移動することができなくなるという問題があった。
また、特開平８−３１４３６号公報に開示されたように、水素センサで所定水素濃度を検知したときに換気ファンを運転してボックス内を強制換気するシステムの場合には、水素の漏洩量を抑制するわけではないので、その後も水素の漏洩量が増大し続ける虞があった。
【０００６】
そこで、この発明は、燃料電池からの水素漏れ量は燃料電池の作動圧力（すなわち、反応ガスの供給圧力）と相関があり、作動圧力が高いほど水素漏れ量が多くなるという特性を利用して、燃料電池からの水素漏れ量が所定値を越えないように作動圧力を制限する燃料電池の運転方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１１）を、酸化剤ガス圧力を基準として水素ガス圧力を調整し、燃料極と空気極との極間差圧を所定範囲内としつつ、要求発電状態に応じた水素ガス圧力と酸化剤ガス圧力とのうち少なくとも一方の作動圧力にて運転する燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の周辺に水素濃度を検出して信号を出力する水素センサ（例えば、後述する実施の形態における水素センサ５４）を設け、該水素センサの検出値から得られる現在の作動圧力（例えば、実施形態における作動圧力Ｐｎ）での水素漏れ量（例えば、実施形態における水素濃度Ｈｎ）と、前記燃料電池における作動圧力に対する水素漏れ量の変化率と、に基づいて、水素漏れ量が所定値（例えば、後述する実施の形態における許容水素漏れ量Ｈｌｉｍ）を超えない作動圧力（例えば、後述する実施の形態における許容作動圧力Ｐｌｉｍ）を予測し、該作動圧力以下に作動圧力（例えば、後述する実施の形態における空気供給圧力）を制限することを特徴とする。
【０００８】
燃料電池の周辺の換気量が一定のときには、燃料電池からの水素漏れ量と燃料電池周辺の水素濃度との間には相関がある。したがって、水素センサの検出値に基づいて燃料電池からの水素漏れ量を推定することができる。また、燃料電池からの水素漏れ量は燃料電池の作動圧力（すなわち、反応ガスの供給圧力）に依存し、作動圧力が高いほど水素漏れ量が多くなるという特性を有している。したがって、水素センサの検出値に基づいて、前記燃料電池からの水素漏れ量が所定値を越えないように前記作動圧力を制限して燃料電池の運転を制御することが可能となる。
また、燃料電池の周辺の換気量が一定のときには燃料電池からの水素漏れ量と燃料電池周辺の水素濃度との間には相関があり、燃料電池からの水素漏れ量は燃料電池の作動圧力（すなわち、反応ガスの供給圧力）に依存するので、水素センサで検出した現在の水素濃度と現在の燃料電池の作動圧力から、水素漏れ量が前記所定値未満となる作動圧力を予測することができ、該作動圧力以下に作動圧力を制限して燃料電池の運転を制御することが可能となる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記現在の作動圧力での水素漏れ量が予め設定された最大水素漏れ量（例えば、実施形態における最大水素濃度Ｈｍａｘ）よりも大きい場合には、前記燃料電池を停止させることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の運転方法の一実施の形態を図１から図７の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池に適用した態様である。
【００１１】
図１は燃料電池自動車の概略構成図である。
燃料電池自動車１は、燃料電池１１と、蓄電装置、例えばキャパシタ１２とから構成されたハイブリッド型の電源装置を備えており、これらの電源装置から電力が供給される走行用モータ１３の駆動力は、オートマチックトランスミッション或いはマニュアルトランスミッションよりなるトランスミッションＴ／Ｍを介して駆動輪Ｗに伝達される。
また、車両の減速時に駆動輪Ｗ側から走行用モータ１３側に駆動力が伝達されると、走行用モータ１３は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
【００１２】
燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【００１３】
燃料電池１１の空気極には、酸化剤供給部をなすエアコンプレッサ２１から空気が供給される空気供給口１１ａと、空気極内の空気等を外部に排出するための空気排出口１１ｂが設けられている。一方、水素極には、燃料供給部をなす水素タンク３１から水素ガスが供給される水素供給口１１ｃと、水素極内の水素ガス等を外部に排出するための水素排出口１１ｄが設けられている。
【００１４】
エアコンプレッサ２１は、例えば車両の外部から空気を取り込んで断熱圧縮して、この空気を、反応ガスとして燃料電池１１の空気極側に供給すると共に、圧力信号として後述する燃料供給制御弁３２およびエゼクタバイパス制御弁３５に供給する。
エアコンプレッサ２１にて圧縮昇温された空気は、冷却器２２に供給可能とされており、例えば燃料電池１１の運転状態に応じて、冷却器２２にて所定温度まで冷却された空気は、カソード加湿器２４および燃料供給制御弁３２およびエゼクタバイパス制御弁３５に供給される。
【００１５】
また、エアコンプレッサ２１と、カソード加湿器２４および燃料供給制御弁３２およびエゼクタバイパス制御弁３５とを接続する流路には、冷却器２２および、例えば冷却器２２の下流側に設けられた冷却器バイパス制御弁２３を迂回する冷却器バイパス流路２２ａが設けられている。
すなわち、燃料電池１１の運転状態に応じて、冷却器バイパス制御弁２３を閉弁することによって、エアコンプレッサ２１にて圧縮昇温された空気を、冷却すること無しに燃料電池１１および燃料供給制御弁３２およびエゼクタバイパス制御弁３５へ供給することができるようにされている。
【００１６】
カソード加湿器２４は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出空気を、反応ガスとして供給される空気に対する加湿ガスとして利用している。すなわち、水透過膜を介して空気と排出空気とを接触させると、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は水透過膜の膜穴を透過した後に水蒸気として空気に供給される。
そして、加湿された空気は燃料電池１１に供給され、燃料電池１１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保されている。
なお、後述するように、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出された排出空気は、順次、アノード加湿器３７、カソード加湿器２４へ加湿ガスとして供給され、カソード加湿器２４から排出された排出空気は背圧制御弁２５を介して車外に排出されるようになっている。
【００１７】
背圧制御弁２５は、燃料電池１１の運転状態に応じて、ＥＣＵ４４によって開閉動作が制御されており、ＥＣＵ４４から入力される制御信号に応じた弁開度に設定されることで、燃料電池１１内に反応ガスとして供給される空気の圧力（空気供給圧力）が所定の圧力となるように制御される。なお、空気供給圧力は、燃料電池１１の発電電流が大きいほど大きくなるように制御される。
【００１８】
燃料電池１１に対する燃料としての水素ガスは、例えば高圧の水素タンク３１から燃料供給制御弁３２へ供給される。
燃料供給制御弁３２は、例えば空気式の比例圧力制御弁をなし、エアコンプレッサ２１から供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給制御弁３２を通過した水素ガスが燃料供給制御弁３２の出口で有する圧力が、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように制御する。
【００１９】
燃料供給制御弁３２を通過した水素ガスは熱交換器３３に供給されている。この熱交換器３３において、燃料電池１１の運転状態に応じて、例えば冷却材との熱交換反応等によって所定の温度に設定された水素ガスは、順次、エゼクタ３４あるいはエゼクタバイパス制御弁３５、アノード加湿器３６を介して水素供給口１１ｃから燃料電池１１の水素極に供給される。
【００２０】
さらに、燃料電池１１の水素排出口１１ｄから排出された未反応の排出ガスは、貯溜タンク３７を通じてエゼクタ３４へと導入されており、熱交換器３３から供給された水素ガスと、燃料電池１１から排出された排出ガスとが混合されて燃料電池１１に再び供給されている。
エゼクタ３４は、内部を流通する高速の水素ガス流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１からの排出ガスを吸い込み、この排出ガスを熱交換器３３を介して供給される水素ガスと混合して燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出された排出ガスを循環させている。
【００２１】
また、熱交換器３３とアノード加湿器３６とを接続する流路には、エゼクタ３４を迂回するエゼクタバイパス流路３４ａが設けられている。
ここで、エゼクタバイパス流路３４ａには、例えば空気式の比例圧力制御弁をなすエゼクタバイパス制御弁３５がエゼクタ３４に対して並列配置されており、エアコンプレッサ２１から供給される空気の圧力を信号圧として、エゼクタバイパス制御弁３５を通過した水素ガスがエゼクタバイパス制御弁３５の出口で有する圧力つまり水素供給圧力が、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように制御される。
【００２２】
すなわち、酸化剤ガスとしての空気の圧力を基準圧力として、燃料供給制御弁３２およびエゼクタバイパス制御弁３５での圧力流量制御によって、エゼクタ３４を通過する水素ガスの圧力流量特性が所定の状態となるように制御され、燃料電池１１の固体高分子電解質膜に対する酸化剤の圧力（空気供給圧力）と、燃料の圧力（水素供給圧力）との差、つまり燃料極と空気極との極間差圧が所定圧力差の範囲内になるように制御される。
つまり、燃料電池１１に供給される空気供給圧力および水素供給圧力（すなわち、燃料電池１１の作動圧力）は、燃料電池１１の運転状態に応じて制御され、燃料電池１１の発電電流が大きくなるほど燃料電池１１の作動圧力が大きくなるように制御される。
【００２３】
アノード加湿器３６は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出空気を、水素ガスに対する加湿ガスとして利用している。すなわち、水透過膜を介して水素ガスと排出空気とを接触させると、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は水透過膜の膜穴を透過した後に水蒸気として水素ガスに供給される。
そして、加湿された水素ガスは燃料電池１１に供給され、燃料電池１１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保されている。
【００２４】
貯溜タンク３７は、燃料電池１１の水素排出口１１ｄから排出された排出ガスに対して気液分離を行い、排出ガス中に含まれる液体状の水分を分離して貯溜する。
排出制御弁３８は、燃料電池１１の運転状態に応じて、ＥＣＵ４４によって開閉動作が制御されており、例えば貯溜タンク３７にて分離された排出ガス中の過剰な水分（主に液体水）等を車外に排出する。
【００２５】
燃料電池１１から取り出される発電電流は電流制御器４１に入力されており、この電流制御器４１には蓄電装置をなす、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタ１２が接続されている。
そして、燃料電池１１とキャパシタ１２は、電流制御器４１および出力制御器４２を介して、電気的負荷である走行用モータ１３、および、エアコンプレッサ２１を駆動するモータ４３等に対して並列に接続されている。
【００２６】
電流制御器４１は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成されており、後述するように、ＥＣＵ４４から出力される目標発電電流ＩＦＣつまり燃料電池１１に対する発電指令に基づいて、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を制御する。
【００２７】
出力制御器４２は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子から構成された走行モータ用およびエアコンプレッサモータ用のＰＷＭインバータをそれぞれ備えており、後述するように、ＥＣＵ４４から出力される走行用モータ１３に対するトルク指令やエアコンプレッサ２１に対する回転数指令等に基づき、電流制御器４１を介して燃料電池１１およびキャパシタ１２から出力される直流電力を３相交流電力に変換して、走行用モータ１３およびエアコンプレッサ２１を駆動するモータ４３へ供給する。
【００２８】
なお、走行用モータ１３およびモータ４３は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、出力制御器４２から供給される３相交流電力により駆動制御される。
ＥＣＵ４４は、例えば、蓄電装置をなすキャパシタ１２から出力される出力電流および端子電圧および温度の信号に基づいてキャパシタ１２の残容量を算出し、走行用モータ１３やモータ４３等の負荷への電力供給を制御する。
【００２９】
さらに、ＥＣＵ４４は、出力制御器４２に具備された前記ＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えば走行用モータ１３に対しては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に関するアクセル開度ＡＣの信号に基づいて、要求されるモータ出力を算出する。そして、このモータ出力指令を出力制御器４２に入力することで、モータ出力指令に応じたパルス幅変調信号が走行モータ用ＰＷＭインバータに入力され、要求されるモータ出力を発生させるための各相電流が走行用モータ１３の各相へと出力される。
【００３０】
また、ＥＣＵ４４は、燃料電池１１を運転するために必要な補機類の電気負荷を算出し、この電気負荷と前記走行用モータ１３に要求されるモータ出力に基づいて、電流制御器４１にて燃料電池１１から取り出す発電電流に対する目標発電電流ＩＦＣを算出し電流制御器４１に入力する。
さらに、ＥＣＵ４４は、目標発電電流に基づいて、反応ガスの流量に関する要求値として、例えばエアコンプレッサ２１の回転数Ｎを算出し、反応ガスの圧力に関する要求値として、例えば背圧制御弁２５の弁開度θを算出する。そして、この回転数Ｎが出力制御器４２に入力されることで、回転数Ｎに応じた各相電流がモータ４３の各相へと出力される。また、算出された弁開度θが背圧制御弁２５に入力されることで、背圧制御弁２５の弁開度が制御される。
【００３１】
そして、反応ガスの流量および圧力に対する各要求値と、実際に燃料電池１１に供給される反応ガスの流量および圧力との各偏差がゼロとなるように、エアコンプレッサ２１の回転数Ｎおよび背圧制御弁２５の弁開度θのフィードバック制御を行う。
【００３２】
このため、ＥＣＵ４４には、アクセル開度センサ１４から出力される例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に関するアクセル開度ＡＣの検出信号と、例えばエアコンプレッサ２１から供給される空気の流量（質量流量）を検出するガス量センサ４６から出力される流量検出値ＱＮの信号と、例えば燃料電池１１の空気極側に供給される空気の圧力を検出する圧力センサ４７から出力される圧力検出値ＰＮの信号とが入力される。
なお、ガス量センサ４６は、エアコンプレッサ２１の空気排出口２１ａ近傍に設けられ、圧力センサ４７は、燃料電池１１の空気供給口１１ａ近傍に設けられている。
【００３３】
また、この燃料電池自動車１においては、図２に示すように、燃料電池１１と水素供給系デバイス群５０は密閉された箱（以下、ＦＣボックスという）５１に収納されている。ここで、水素供給系デバイス群５０には、燃料供給制御弁３２，熱交換器３３，エゼクタ３４，エゼクタバイパス制御弁３５，アノード加湿器３６，およびこれらを接続する配管類が含まれる。
【００３４】
ＦＣボックス５１は、燃料電池１１からの水素漏れを管理するために設けられたものであり、そのために、ＦＣボックス５１には、一定流量で換気が行われるように換気入口５２と換気出口５３が設けられるとともに、換気出口５３の近傍に水素濃度を検出する水素センサ５４が設置されていて、水素センサ５４から出力される水素濃度検出値の信号はＥＣＵ４４に入力される。なお、水素センサ５４の設置位置は換気出口５３の近傍に限るものではなく、ＦＣボックス５１内に漏洩した水素ガスが流れるであろう位置に設置されていればよく、例えば燃料電池１１の近傍に設置することも可能である。また、ＦＣボックス５１は容量が小さい方が水素漏れ検出精度が高くなるので好ましい。
【００３５】
次に、この燃料電池自動車１において、水素漏れ管理を考慮した燃料電池１１の運転制御原理について説明する。
前述したように、水素ガスを燃料とする固体高分子電解質膜型の燃料電池１１においては、水素の透過性が高いことと、および積層構造という燃料電池１１の構造上から、燃料電池１１に供給された水素が燃料電池１１の構成部材（例えば、固体高分子電解質膜やその両側に配置されるセパレータ等）を透過してきてＦＣボックス５１内に漏れたりする。これは、固体高分子電解質膜型の燃料電池１１では、欠陥が全くない新品の燃料電池１１であっても避けられない現象である。
【００３６】
したがって、たとえ欠陥のない新品の燃料電池１１を使用している場合であっても、ＦＣボックス５１内を換気しないとＦＣボックス５１内の水素濃度が増大していくこととなる。そのため、この実施の形態では、換気入口５２からＦＣボックス５１内に一定流量で換気を導入し、換気出口５３から排出している。
このように、ＦＣボックス５１を一定流量で換気した場合、燃料電池１１からの水素漏れ量とＦＣボックス５１内の水素濃度との間には、図３に示すような一次関数的な関係が成立する。したがって、水素センサ５４により検出したＦＣボックス５１内の水素濃度に基づいて、燃料電池１１からの水素漏れ量を推定することができる。
【００３７】
一方、燃料電池１１は、前述したように、燃料電池１１の要求発電状態（アクセル開度に応じた要求発電電流等）に応じて作動圧力を変えて運転している。図４は、燃料電池１１の発電電流と作動圧力との関係の一例を示したものであり、発電電流が大きいほど作動圧力が大きくなるように制御している。また、作動圧力には最大作動圧力Ｐｍａｘが設定されており、作動圧力はこの最大作動圧力Ｐｍａｘ以下において制御されることとなる。
【００３８】
また、燃料電池１１からの水素の漏れ量は作動圧力に依存することが経験的にわかっている。図５は、燃料電池１１の作動圧力と水素漏れ量との関係を実験的に求めた実験結果の一例を示し、図中実線は、欠陥が全くない新品の燃料電池１１の平均的な水素漏れ特性を示している。すなわち、この例の場合では、作動圧力が大きくなればなるほど、水素漏れ量が一次関数的に増大していく。また、実験によれば、同一仕様の燃料電池１１ではあるが、燃料電池１１の固体ばらつきあるいは経時劣化により前記新品の燃料電池１１の平均的な水素漏れ特性と一致しない燃料電池１１の場合にも、作動圧力の増減に対する水素漏れ量の増減の割合（換言すれば、図５における水素漏れ特性線の傾き）は同じであることが判明している。
【００３９】
なお、燃料電池１１からの水素漏れ量は、正確に言えば燃料電池１１への水素供給圧力に依存するのであるが、前述したように、この燃料電池１では、水素供給圧力は空気供給圧力を基準圧力として制御されるので、燃料電池１１からの水素漏れ量は燃料電池１１への空気供給圧力に依存すると言うことができる。水素供給圧力も空気供給圧力も燃料電池１１の作動圧力には変わりなく、燃料電池１１からの水素漏れ量は作動圧力に依存する。
ただし、この実施の形態の燃料電池１１では、発電電流を制御するためのパラメータとして燃料電池１１への空気供給量と空気供給圧力を用いており、これらパラメータをフィードバック制御するためにガス量センサ４６で空気供給量を検出し、圧力センサ４７で空気供給圧力を検出しているので、この実施の形態では水素漏れ量との関係において空気供給圧力を作動圧力として用いることとした。
【００４０】
以上のことから、同一仕様の燃料電池１１においては、水素センサ５４で検出した現在のＦＣボックス５１内の水素濃度Ｈｎと、圧力センサ４７で検出した現在の作動圧力Ｐｎがわかれば、図５に示す水素漏れ特性に基づいて、この燃料電池１１を最大作動圧力Ｐｍａｘで運転したときの水素漏れ量Ｈｉｎｆを予測することができ、また、所定の水素漏れ量Ｈｌｉｍとなるときの作動圧力Ｐｌｉｍを推定することができる。ここで、前記所定の水素漏れ量（以下、許容水素漏れ量という）Ｈｌｉｍを最大水素漏れ量Ｈｍａｘよりも小さい値に設定し、これに対応する作動圧力（以下、許容作動圧力という）Ｐｌｉｍ以下で燃料電池１１を運転するように制御すれば、燃料電池１１からの水素漏れ量を許容水素漏れ量Ｈｌｉｍ以下に抑制しながら、燃料電池１１を運転することが可能になる。
【００４１】
なお、水素漏れ量は水素センサ５４で検出される水素濃度に基づいて推定することから、図５に示す水素漏れ特性図における縦軸の水素漏れ量は、これに対応する水素濃度に置き換えることが可能である。そこで、以下の説明の都合上、図５における縦軸に水素濃度を併記した。
【００４２】
また、発電電流と作動圧力は図４に示すような関係があるので、許容作動圧力Ｐｌｉｍに対応して発電電流（以下、許容発電電流という）Ｉｌｉｍを決定することができる。したがって、作動圧力を許容作動圧力Ｐｌｉｍ以下に制限して燃料電池１を運転制御する代わりに、燃料電池１１からの取り出し電流を許容発電電流Ｉｌｉｍ以下に制限して燃料電池１１を運転制御してもよい。
【００４３】
次に、図６のフローチャートを参照して、この実施の形態における燃料電池の運転方法を説明する。
まず、圧力センサ４７で検出した現在の実作動圧力Ｐｎを読み込み（ステップＳ１０１）、水素センサ５４で検出したＦＣボックス５１内の現在の実水素濃度Ｈｎを読み込む（ステップＳ１０２）。
【００４４】
次に、この燃料電池１１の水素漏れ特性（図５参照）に基づいて、最大作動圧力Ｐｍａｘで運転したときに予想されるＦＣボックス５１内の水素濃度（予想水素濃度）Ｈｉｎｆを、マップ参照あるいは計算により算出する（ステップＳ１０３）。
【００４５】
次に、ステップＳ１０２で読み込んだ現在の実水素濃度Ｈｎが最大水素濃度Ｈｍａｘ（例えば２％）よりも高いか否か判定する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｈｎ＞Ｈｍａｘ）である場合は、ワーニングランプを点灯し（ステップＳ１０５）、システム停止モードを実行して（ステップＳ１０６）、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合は、ＦＣボックス５１内の現在の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素漏れ量）が既に最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘを越えているので、燃料電池１１を直ちに緊急停止する。
【００４６】
一方、ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（Ｈｎ≦Ｈｍａｘ）である場合は、直ちに緊急停止する必要はないので、ステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０３で算出した予想水素濃度Ｈｉｎｆが最大水素濃度Ｈｍａｘよりも高いか否か判定する。
【００４７】
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｈｉｎｆ≦Ｈｍａｘ）である場合は、最大作動圧力Ｐｍａｘで運転しても水素濃度は最大水素濃度Ｈｍａｘ以下であると推定できるのでステップＳ１０８に進み、ステップＳ１０２で読み込んだ実水素濃度Ｈｎが水素濃度安全域の閾値である下限水素濃度Ｈｌｏｗ（例えば０．５％）よりも高いか否か判定する。
【００４８】
ステップＳ１０８における判定結果が「ＮＯ」（Ｈｎ≦Ｈｌｏｗ）である場合は、ＦＣボックス５１内の現在の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素漏れ量）が充分に低く安全域にあるので、ステップＳ１０９に進んで、後述するステップＳ１１３で算出した出力制限値（許容発電電流Ｉｌｉｍ）を初期化し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００４９】
ステップＳ１０８における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｈｎ＞Ｈｌｏｗ）である場合は、ステップＳ１１０に進んでワーニングランプを点灯し、本ルーチンの実行を一旦終了する。これは、ＦＣボックス５１内の現在の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素漏れ量）は最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘ以下ではあるが下限水素濃度（下限水素漏れ量）Ｈｌｏｗを越えているので、警報を発して運転者に注意を喚起するのである。
【００５０】
一方、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｈｉｎｆ＞Ｈｍａｘ）である場合は、現在のＦＣボックス５１内の水素濃度（燃料電池１１からの現在の水素漏れ量）は最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘ以下であるものの、もし最大作動圧力Ｐｍａｘで運転するとＦＣボックス５１内の水素濃度（燃料電池１１からの水素漏れ量）が最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘを越えることが予想されるので、最大作動圧力Ｐｍａｘでの運転は回避すべきである。そこで、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ１１１においてワーニングランプを点灯した後、ステップＳ１１２に進んで、許容水素濃度（許容水素漏れ量）Ｈｌｉｍ（例えば１．９％）に対応する許容作動圧力Ｐｌｉｍを、マップ参照あるいは計算により算出する。なお、この実施の形態では、許容水素濃度（許容水素漏れ量）Ｈｌｉｍは安全を見込んで最大水素濃度（最大水素漏れ量）Ｈｍａｘよりも若干低く設定するが、同数値に設定することも可能である。
【００５１】
次に、許容作動圧力Ｐｌｉｍに対応する許容発電電流Ｉｌｉｍをマップ参照あるいは計算により算出し（ステップＳ１１３）、この許容発電電流Ｉｌｉｍを出力制限値として出力制限運転モードを実行し（ステップＳ１１４）、本ルーチンの実行を一旦終了する。出力制限運転モードでは、燃料電池１１からの取り出し電流を許容発電電流Ｉｌｉｍ以下に制限して燃料電池１１の運転制御を行う。
【００５２】
図７は、この燃料電池自動車１における燃料電池１１の運転制御方法を示すブロック図である。
燃料電池自動車１では、アクセルペダルＡＰの踏み込み操作量がアクセル開度としてアクセル開度センサ１４で検出され、検出されたアクセル開度に基づいてＥＣＵ４４は走行用モータ１３に要求されるモータ出力を算出する。また、ＥＣＵ４４は、燃料電池１１を運転するために必要な補機類（例えば、エアコンプレッサ２１等）の電気負荷を算出する。
【００５３】
次に、走行用モータ１３に要求されるモータ出力と補機類の電気負荷に基づいて、電気制御器４１により燃料電池１１から取り出す目標発電電流ＩＦＣを算出し、この目標発電電流ＩＦＣに基づいて目標ガス量（目標空気供給量）と目標圧力（目標空気供給圧力）を算出する。
【００５４】
そして、前記目標ガス量に基づいてエアコンプレッサ２１の回転数Ｎを算出し、該回転数となるようにエアコンプレッサ２１のモータ４３を制御するとともに、ガス量センサ４６で検出される実際のガス量（実空気供給量）と前記目標ガス量（目標空気供給量）との偏差がゼロになるように、エアコンプレッサ２１の回転数のフィードバック制御を行う。
【００５５】
また、これと同時に、前記目標圧力に基づいて背圧制御弁２５の弁開度θを算出し、該弁開度θになるように背圧制御弁２５の開度制御を行うとともに、圧力センサ４７で検出される実際の空気供給圧力（実空気供給圧力）と前記目標圧力（目標空気供給圧力）との偏差がゼロになるように、背圧制御弁２５の弁開度θのフィードバック制御を行う。
【００５６】
また、圧力センサ４７で検出された実空気供給圧力（すなわち実作動圧力）と水素センサ５４で検出されたＦＣボックス５１内の実水素濃度に基づいて、必要に応じて作動圧力制限値（許容作動圧力）を計算し、前記目標圧力を作動圧力制限値以下に制限するとともに警報を発する。あるいは、作動圧力を制限する代わりに、作動圧力制限値に対応する発電電流制限値（許容発電電流）を計算して、前記目標発電電流を発電電流制限値以下に制限する（図中破線矢印）。このように目標発電電流を制限するようにすると、現在の発電電流から現在の作動圧力を推定可能であることから、圧力センサ４７が故障した場合などにも燃料電池１１の前記制限運転が可能となり、また、圧力センサ４７を省略することも可能となる。
【００５７】
このように燃料電池１１の運転制御を実行することにより、燃料電池１１からの水素漏れ量がある程度増大してくるとワーニングランプの点灯により運転者に注意を喚起することができる。そして、燃料電池１１からの水素漏れ量がさらに増大してきて、現運転状態では問題ないが現運転状態よりも作動圧力を増大させて運転すると水素漏れ量が最大水素漏れ量を越える虞があるときには、燃料電池１１の出力を制限して運転することにより、水素漏れ量が最大水素漏れ量を越えないように確実に制限することができる。これにより、燃料電池１１からの水素漏れ状態を予見しながら燃料電池自動車１を運転することができることとなり、燃料電池１１が突然に緊急停止する確率を従来よりも格段に低くすることができる。そして、燃料電池１１の出力制限運転を行いながら燃料電池自動車１を修理工場等の所定場所まで移動させることが可能になる。
【００５８】
さらに、このように燃料電池１１の出力制限運転を行っても燃料電池１１からの水素漏れ量が最大水素漏れ量を越えてしまうときには、燃料電池１１を緊急停止して安全を確保することができる。
尚、前述した実施の形態では、燃料電池１１に供給される空気の圧力を制御対象である作動圧力としたが、制御対象である作動圧力を燃料電池１１に供給される水素ガスの圧力とすることも可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、水素センサの検出値に基づいて、前記燃料電池からの水素漏れ量が所定値を越えないように前記作動圧力を制限するので、水素漏れ量を所定値以下に抑制しながら燃料電池の運転を維持することができるという優れた効果が奏される。
【００６０】
請求項２に記載した発明によれば、前記効果に加えて、現在の作動圧力での水素漏れ量と前記燃料電池の特性に基づいて、水素漏れ量が前記所定値を越えない作動圧力を予測しているので、水素漏れ量が所定値を越えたことを検知してから作動圧力を制限するのではなく、予め燃料電池の発電電流が小さく、作動圧力が低い状態で運転している時から制限作動圧力を予測して制限するため、確実に水素漏れ量を所定値以下に制限することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態における燃料電池自動車の概略構成図である。
【図２】前記実施の形態におけるＦＣボックスの斜視図である。
【図３】水素漏れ量と水素濃度との関係を示す図である。
【図４】燃料電池の作動圧力と発電電流との関係を示す図である。
【図５】燃料電池からの水素漏れ量（水素濃度）と燃料電池の作動圧力との関係を示す図である。
【図６】燃料電池の運転制御フローチャートの一例である。
【図７】燃料電池自動車の運転制御ブロック図の一例である。
【符号の説明】
１１燃料電池
５４水素センサ

Claims

水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池を、酸化剤ガス圧力を基準として水素ガス圧力を調整し、燃料極と空気極との極間差圧を所定範囲内としつつ、要求発電状態に応じた水素ガス圧力と酸化剤ガス圧力とのうち少なくとも一方の作動圧力にて運転する燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の周辺に水素濃度を検出して信号を出力する水素センサを設け、
該水素センサの検出値から得られる現在の作動圧力での水素漏れ量と、前記燃料電池における作動圧力に対する水素漏れ量の変化率と、に基づいて、水素漏れ量が所定値を超えない作動圧力を予測し、該作動圧力以下に作動圧力を制限することを特徴とする燃料電池の運転方法。
前記現在の作動圧力での水素漏れ量が予め設定された最大水素漏れ量よりも大きい場合には、前記燃料電池を停止させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運転方法。