JP7119716B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックの電圧に基づき発電状況を監視し、監視の結果に応じて燃料電池による発電動作を制御する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１）。この燃料電池システムは、例えば、水素欠乏によって燃料電池スタックの電圧が負電圧となっている場合には、水素流量を増大させる。

特開２０１６－８５８９８号公報

燃料電池スタックにおける水素欠乏の原因は様々であり、その原因の種類に応じた対応が求められる。しかし、特許文献１の技術では、水素欠乏の原因に関わらず一律に同じ対応、すなわち水素流量の増大を行う。このため、負電圧を解消できない無駄な処理を行うおそれがあった。このように、従来において利用者は、燃料電池スタックの電圧が負電圧である場合の原因を知ることができず、適切な対応を行うことが困難だった。

上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスに含まれる水を分離し、前記分離した水を貯留する気液分離器と、前記水が分離された後の前記アノードオフガスを循環させて、前記燃料電池スタックに戻すための水素ポンプと、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスの流量を調節する流量調節弁と、閉弁状態から開弁状態に切り替わることによって前記貯留された水を外部に排出する排気排水弁と、報知部と、各前記単セルの電圧を取得する電圧取得部と、前記水素ポンプと前記排気排水弁との少なくとも一方の凍結を検知する凍結検知部と、前記流量調節弁の動作と前記報知部の動作とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、取得した前記電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧である場合には、前記アノードガスの流量が増大するように前記流量調節弁に動作の変更を指示し、前記指示の後に取得した前記電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧であり、かつ前記水素ポンプと前記排気排水弁との少なくとも一方の凍結が検知されている場合には、前記凍結の発生を前記報知部に報知させ、前記指示の後に取得した前記電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧であり、かつ前記水素ポンプと前記排気排水弁とのいずれにも凍結が検知されていない場合には、故障の発生を前記報知部に報知させる、燃料電池システム。

本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスに含まれる水を分離し、前記分離した水を貯留する気液分離器と、前記水が分離された後の前記アノードオフガスを循環させて、前記燃料電池スタックに戻すための水素ポンプと、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスの流量を調節する流量調節弁と、閉弁状態から開弁状態に切り替わることによって前記貯留された水を外部に排出する排気排水弁と、報知部と、各前記単セルの電圧を取得する電圧取得部と、前記水素ポンプと前記排気排水弁との少なくとも一方の凍結を検知する凍結検知部と、前記流量調節弁の動作と前記報知部の動作とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記取得した電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧である場合には、前記アノードガスの流量が増大するように前記流量調節弁に動作の変更を指示し、前記指示の後に前記取得した電圧が負電圧であり、かつ前記水素ポンプと前記排気排水弁との少なくとも一方の凍結が検知されている場合には、前記凍結の発生を前記報知部に報知させ、前記指示の後に前記取得した電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧であり、かつ前記水素ポンプと前記排気排水弁とのいずれにも凍結が検知されていない場合には、故障の発生を前記報知部に報知させる。
この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、取得した電圧のうち、少なくとも１つの単セルの電圧が負電圧である場合には、アノードガスの流量が増大するように流量調節弁に動作の変更を指示し、指示の後に取得した電圧が負電圧であり、かつ水素ポンプと排気排水弁との少なくとも一方の凍結が検知されている場合には、凍結の発生を報知部に報知させ、指示の後に取得した電圧のうち、少なくとも１つの単セルの電圧が負電圧であり、かつ水素ポンプと排気排水弁とのいずれにも凍結が検知されていない場合には、故障の発生を報知部に報知させる。このため、燃料電池システムの利用者は、燃料電池スタックの電圧が負電圧である原因が故障と凍結のいずれであるかを知ることができる。このため、燃料電池システムの利用者は、燃料電池システムの故障の原因に応じた対応を行うことが容易である。
本開示は、上記の燃料電池システム以外の種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法や燃料電池システムの制御するためのプログラムや電池システムを搭載した燃料電池車両等の形態で実現することが可能である。

実施形態に係る燃料電池システムの概略図。 負電圧報知制御の処理内容を説明するためのフローチャート。 実施形態における水素ポンプにおける凍結の判定処理の内容を示すフローチャート。 実施形態における排気排水弁における凍結の判定処理の内容を示すフローチャート。 気液分離器における動作の判定処理を説明するためのタイミングチャート。

Ａ．実施形態
Ａ１．システム構成
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１００の概略図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、駆動用モータを駆動させる発電装置として用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、アノードガス給排機構３０と、カソードガス給排機構６０と、冷媒循環機構７０と、報知部８０と、記憶部８４と、制御部９０と、を備える。燃料電池システム１００は、アノードガスとカソードガスとの反応によって発電する。本実施形態において、アノードガスは水素ガスであり、カソードガスは空気である。

冷媒循環機構７０は、燃料電池スタック２０に接続され、冷媒、例えば水を流通させる冷媒循環流路７１や冷媒を送り出すポンプ７２を有する。カソードガス給排機構６０は、燃料電池スタック２０にカソードガスを供給するカソードガス供給流路６１と、カソードガスを外部へと排出するカソードガス排出流路６２とを有する。カソードガス供給流路６１には、カソードガスを圧送するエアコンプレッサ６３が配置されている。カソードガス給排機構６０は、燃料電池スタック２０へカソードガスの供給、および、燃料電池スタック２０からのカソードオフガスの排出を行なう。

燃料電池スタック２０は、単セル１０が複数積層されたスタック構造を有する。本実施形態において、燃料電池スタック２０を構成する単セル１０は、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック２０は、冷媒循環機構７０によって適切な温度に調整されている。燃料電池スタック２０には、セルモニタ２２が取り付けられている。セルモニタ２２は、各単セル１０の電圧値を測定することにより燃料電池スタック２０の電圧値を取得する電圧取得部として機能する。また、本実施形態において、セルモニタ２２は、電圧値に加えて、燃料電池スタック２０から出力される電流値を取得する。セルモニタ２２によって取得された電圧値および電流値は、制御部９０に送信される。

アノードガス給排機構３０は、アノードガス供給流路３４と、アノードガス循環流路３６と、水素ガスタンク２００と、を備える。水素ガスタンク２００は、アノードガスを貯蔵するためのタンクであり、アノードガス供給流路３４に接続されている。水素ガスタンク２００は、アノードガス供給流路３４を介して、内部に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック２０へと供給する。

アノードガス供給流路３４は、水素ガスタンク２００に充填されたアノードガスを燃料電池スタック２０に供給するための流路である。アノードガス供給流路３４には、レギュレータ４４とインジェクタ４５とが設けられている。レギュレータ４４は、開閉によってアノードガスの流通を制御する。インジェクタ４５は、燃料電池スタック２０に供給されるアノードガスの流量を調節する流量調節弁である。また、アノードガス供給流路３４の途中には、アノードガス循環流路３６が接続されている。アノードガス供給流路３４のうちインジェクタ４５の下流側には、アノードガス供給流路３４内の圧力を計測するための圧力センサ９４が取り付けられている。

アノードガス循環流路３６は、燃料電池スタック２０から排出されたアノードオフガスを回収し、燃料電池スタック２０に再度供給するための流路である。アノードオフガスには、燃料電池スタック２０に供給されたアノードガスのうち各単セル１０の電気化学反応で用いられなかった余剰のアノードガスが入っている他、各単セル１０において電解質膜を介してカソード側から透過した窒素ガスも含まれる。アノードガス循環流路３６の途中には、水素ポンプ４６と、アノードオフガスとアノードオフガス中に含まれる水分とを分離するための気液分離器４７と、が配置されている。水素ポンプ４６は、気液分離器４７によって水分が分離された後のアノードオフガスを循環させて、燃料電池スタック２０に戻す。アノードオフガス中に含まれる水分は、主に燃料電池スタック２０における電気化学反応によって生成される生成水である。気液分離器４７には、閉弁状態から開弁状態に切り替わることによって水分を外部に排出する排気排水弁４８が接続されている。気液分離器４７によってアノードオフガスから分離された水分は、気液分離器４７内に一時的に貯留される。気液分離器４７内に貯留された水分は、排気排水弁４８を開弁状態とすることで、アノードオフガスとともに外部へと排出される。

報知部８０は、燃料電池システム１００の状態を燃料電池システム１００の利用者である燃料電池車両の搭乗者に報知する。本実施形態において、報知部８０は、視覚情報を用いて搭乗者に情報を報知する装置でもよく、また、視覚以外の情報を用いて搭乗者に情報を報知する装置であってもよい。視覚情報を用いて搭乗者に情報を報知する装置は、例えば、燃料電池車両のインストルメントパネルに設けられたモニタ装置やヘッドアップディスプレイである。また、視覚以外の情報を用いて搭乗者に情報を報知する装置は、例えば、音声を用いて搭乗者に情報を報知するスピーカである。また、報知部８０は、複数の方法を用いて情報を搭乗者に報知する装置、例えば、モニタとスピーカとを有し、視覚情報と音声情報とを用いて搭乗者に情報を報知する装置であってもよい。本実施形態において、報知部８０は、インストルメントパネルに設けられたモニタ装置であり、燃料電池システム１００の状態を示すメッセージを表示することによって搭乗者への報知を行う。

制御部９０は、中央処理装置を有し、例えば、セルモニタ２２や圧力センサ９４から取得した情報と記憶部８４に記憶されている情報とを用いて、水素ポンプ４６とインジェクタ４５と排気排水弁４８と報知部８０とを含む燃料電池システム１００の各構成の動作を制御する。

記憶部８４は、ＨＤＤ等の記憶媒体を有する。記憶部８４は、制御部９０による制御を実行する際に用いられる各種プログラムや、セルモニタ２２と圧力センサ９４とによって取得された情報を記憶する。

Ａ２．負電圧報知制御
図２は、負電圧報知制御の処理内容を説明するためのフローチャートである。以下では、図２を用いて、本実施形態において制御部９０によって実行される負電圧報知制御の内容を説明する。負電圧報知制御は、セルモニタ２２を含む各種センサから取得される情報を用いて燃料電池スタック２０の各単セル１０における負電圧の発生を検知し、燃料電池システム１００の利用者に対して負電圧の発生の原因を報知する処理である。負電圧報知制御は、例えば、燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両の搭乗者によってスタートスイッチが押され、燃料電池システム１００が起動された場合に、開始される。スタートスイッチは、燃料電池システム１００の起動と停止とを切り替えるスイッチである。

負電圧報知制御が開始されると、制御部９０は、セルモニタ２２から送信された電圧値を用いて、各単セル１０の電圧が負電圧であるか否かの判定を行う（ステップＳ１０１）。負電圧は、例えば、燃料電池スタック２０の発電性能の低下によって発生する。燃料電池スタック２０の発電性能の低下は、例えば、気液分離器４７内に貯留された水分が燃料電池スタック２０に流入してアノードガス供給流路３４が閉塞されるいわゆるフラッディングにより生じ得る。まあ、燃料電池スタック２０の発電性能の低下は、燃料電池スタック２０内で発生した水分が燃料電池スタック２０から排出されず、燃料電池スタック２０内の水分によってアノードガスの流通が妨げられた場合にも生じ得る。フラッディングには、例えば、振動等によって気液分離器４７内の水分が一時的に燃料電池スタック２０側に流入することによって発生する場合と、気液分離器４７内における水分の貯留量が所定の量を超えることによって発生する場合と、がある。いずれの単セル１０の電圧も負電圧ではない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）には、制御部９０は、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定する（ステップＳ１２１）。イグニッションスイッチがオフにされていない場合（ステップＳ１２１：Ｎｏ）には、制御部９０は、再びステップＳ１０１の処理を実行する。イグニッションスイッチがオフにされている場合（ステップＳ１２１：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、負電圧報知処理を終了する。

ステップＳ１０１の処理の結果、少なくとも１つの単セル１０の電圧が負電圧である場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、電流制限とアノードガスの流量の増大とを実行する（ステップＳ１０２）。電流制限は、制御部９０の指示に応じて、予め定められた電流値より実際に出力される電流値が小さくなるように、エアコンプレッサ６３を含むカソードガス給排機構６０の各構成が動作されることによって実行される。予め定められた電流値は、負電圧が発生していない通常運転時における電流値の上限値より小さい値に設定されている。電流制限が実行されることによって、負電圧による燃料電池スタック２０を構成する各単セル１０の劣化が抑制される。

また、アノードガスの流量の増大は、制御部９０の指示に応じて、インジェクタ４５の開度を増大させることによって実行される。インジェクタ４５の開度が増大することにより、アノードガス供給流路３４におけるアノードガスの流量が増大する。アノードガスの流量の増大によって、燃料電池スタック２０内の水分がアノードガスによって押し流され、燃料電池スタック２０内から気液分離器４７側へと移動する。本実施形態において、電流制限の処理およびアノードガスの流量の増大の処理は、予め定められた期間実行された後に、終了される。予め定められた期間は、燃料電池スタック２０内の水分を気液分離器４７側に移動させるために十分な長さに設定されている。

ステップＳ１０２の処理が完了した後に、制御部９０は、ステップＳ１０１の処理と同様に、セルモニタ２２から送信された電圧値を用いて、各単セル１０の電圧が負電圧であるか否かの判定を行う（ステップＳ１０３）。いずれの単セル１０の電圧も負電圧でない場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）には、上述のステップＳ１２１が実行される。

ステップＳ１０２の処理を実行した後もなお、少なくとも１つの単セル１０の電圧が負電圧である場合には、ステップＳ１０２の処理による解消が困難な原因によって負電圧が生じている可能性が高い。このため、ステップＳ１０３の処理の結果、燃料電池スタック２０が負電圧である場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、負電圧の発生の原因を判断するための処理として、水素ポンプ４６における凍結の判定処理を実行する（ステップＳ１０４）。なお、本実施形態において、水素ポンプ４６の凍結とは、凍結水によって水素ポンプ４６が正常な動作をできない状態を意味する。具体的には、水素ポンプ４６の凍結とは、例えば、水素ポンプ４６のインペラ（羽根車）とインペラを収容する収容室の壁面との間において水分が凍結し、凍結水によってインペラと壁面とが固着されている状態を意味する。

図３は、実施形態における水素ポンプ４６における凍結の判定処理（図２のステップＳ１０４）の内容を示すフローチャートである。図３に示す様に、本実施形態における水素ポンプ４６における凍結の判定では、まず水素ポンプ４６が正常に動作しているか否かの判定が実行される（ステップＳ２０１）。本実施形態において、制御部９０は、水素ポンプ４６への指令値と水素ポンプ４６から出力される実際の動作量とを比較した結果に応じて、水素ポンプ４６の動作が正常であるか否かを判定する。具体的には、制御部９０は、実際の動作量が指令値より所定値以上小さい場合に、水素ポンプ４６の動作が正常でないと判定する。水素ポンプ４６の動作が正常でない場合には、アノードオフガスの循環が正常に実行されず、燃料電池スタック２０へのアノードガス供給量が低下するおそれがある。水素ポンプ４６の動作が正常である場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、水素ポンプ４６が正常であることを示す判定結果を記憶部８４に出力する（ステップＳ２１１）。

ステップＳ２０１の処理の結果、水素ポンプ４６の動作が正常でない場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）には、制御部９０は、凍結の発生の可能性の有無を判定する（ステップＳ２０２）。制御部９０は、具体的には、図示しない外気温センサから取得される温度を用いて判定を行う。本実施形態では、外気温が０℃（摂氏ゼロ度）以下である場合には、制御部９０は、凍結の発生の可能性があると判定する。凍結の発生の可能性がある場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、水素ポンプ４６が凍結していることを示す判定結果を記憶部８４に出力する（ステップＳ２１２）。凍結の発生の可能性がない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）には、制御部９０は、水素ポンプ４６が故障していることを示す判定結果を記憶部８４に出力する（ステップＳ２１３）。上述のステップＳ２１１とステップＳ２１２とステップＳ２１３とのいずれかの処理の完了後、図２に示すステップＳ１０５が実行される。

制御部９０は、排気排水弁４８における凍結の判定を実行する（ステップＳ１０５）。本実施形態において、排気排水弁４８の凍結とは、凍結水によって排気排水弁４８が正常に開閉動作をできない状態を意味する。なお、本実施形態において、ステップＳ１０５の処理は、ステップＳ１０４の処理の後に実行されているが、ステップＳ１０４の処理の前もしくはステップＳ１０４の処理と同時に実行されてもよい。

図４は、実施形態における排気排水弁４８における凍結の判定処理（図２のステップＳ１０５）の内容を示すフローチャートである。図４に示す様に、本実施形態における排気排水弁４８における凍結の判定では、まず排気排水弁４８が正常に動作しているか否かの判定が実行される（ステップＳ３０１）。排気排水弁４８の動作が正常でない場合には、気液分離器４７内に貯留された水分の排出が正常に実行されず、気液分離器４７内の水位が上昇しフラッディングが発生する場合がある。また、水素ポンプ４６の動作が正常でない場合には、アノードガスの流通が妨げられることにより、燃料電池スタック２０内に生じた水分が燃料電池スタック２０から排出されないおそれがある。

本実施形態において、制御部９０は、排気排水弁４８への開閉指示を行い、開閉指示後におけるアノードガス供給流路３４内の圧力であるアノードガス供給圧力の変化に応じて、排気排水弁４８が正常に動作しているか否かを判定する。開閉指示とは、排気排水弁４８を開弁させ、所定期間後に排気排水弁４８に閉弁させる指示を意味する。具体的には、制御部９０は、まず、排気排水弁４８に開弁を指示する。次に、制御部９０は、開弁を指示する前のアノードガス供給圧力から、指示した後の予め定められた期間においてアノードガス供給圧力が閾値以上低下するか否かを判定する。制御部９０は、以上説明した排気排水弁４８への開弁の指示から判定までの処理を５回繰り返し、５回の処理のうち全ての判定の結果、アノードガス供給圧力が閾値以上低下している場合には、排気排水弁４８の動作が正常であると判定する（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）。なお、排気排水弁４８への開弁の指示から判定までの処理を繰り返す回数は、５回に限定されず、１回や任意の複数回であってもよい。

排気排水弁４８の凍結又は故障が発生していない場合、開弁指示が行われると、排気排水弁４８は開動作を行う。このため、気液分離器４７内の水分及びアノードオフガスが排出されるため、気液分離器４７と連通するアノードガス循環流路３６及びアノードガス供給流路３４のガス圧力は低下する。他方、排気排水弁４８の凍結又は故障が発生している場合、開弁指示が行われても、排気排水弁４８は開動作を行うことができない。このため、気液分離器４７内の水分及びアノードオフガスの排出は行われず、アノードガス循環流路３６及びアノードガス供給流路３４のガス圧力は凍結又は故障が発生していない場合と比べて低下しない。なお、この判定中も燃料電池システム１００は運転しているため、インジェクタ４５は所定のタイミングで繰り替えしアノードガスを燃料電池スタック２０に供給する。したがって、排気排水弁４８が開弁してアノードガス供給圧力が低下した後であっても、その後開弁すると、アノードガス供給圧力は上昇する。

ステップＳ３０１の処理の結果、排気排水弁４８の動作が正常である場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、気液分離器４７が正常であることを示す判定結果を記憶部８４に出力（ステップＳ３１１）し、気液分離器４７における凍結の判定処理（図２のステップＳ１０５）を終了する。

ステップＳ３０１の処理の結果、排気排水弁４８の動作が正常でない場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）には、制御部９０は、図３のステップＳ２０２の処理と同様に、排気排水弁４８における凍結の発生の可能性の有無を判定する（ステップＳ３０２）。排気排水弁４８において凍結の発生の可能性がある場合（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、気液分離器４７が凍結していることを示す判定結果を記憶部８４に出力する（ステップＳ３１２）。凍結の発生の可能性がない場合（ステップＳ３０２：Ｎｏ）には、制御部９０は、水素ポンプ４６が故障していることを示す判定結果を記憶部８４に出力する（ステップＳ３１３）。上述のステップＳ３１１とステップＳ３１２とステップＳ３１３とのいずれかの処理の完了後、図２に示すステップＳ１０６が実行される。以上説明したように、本実施形態において、外気温センサと制御部９０とが、水素ポンプ４６と気液分離器４７との凍結を検知する凍結検知部として機能している。

制御部９０は、記憶部８４に記憶されたステップＳ１０４とステップＳ１０５の処理の結果に応じて、水素ポンプ４６と排気排水弁４８とのうちの少なくとも一方が凍結していないかを判定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６の処理において、水素ポンプ４６と排気排水弁４８との少なくとも一方が凍結していると判定された場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）には、制御部９０は、凍結が発生している旨の報知を報知部８０に実行させる（ステップＳ１０７）。制御部９０は、ステップＳ１０７の報知を実行させた後に、燃料電池システム１００に発電の停止を指示する（ステップＳ１０８）。排気排水弁４８が凍結している状態で、燃料電池スタック２０に発電を維持させた場合、発電に伴って生じる生成水が気液分離器４７に貯留される一方、気液分離器４７から排出されない。このため、気液分離器４７から燃料電池スタック２０へと水分が流入するおそれがある。そこで、本実施形態では、燃料電池システム１００に発電の停止を指示している。

ステップＳ１０８の処理を実行した後に、制御部９０は、車両情報および凍結推定原因を記憶部８４に出力する（ステップＳ１０９）。車両情報は、例えば、ステップＳ１０８の処理による燃料電池システム１００の発電停止時刻やステップＳ１０５およびステップＳ１０６の結果に応じた凍結推定部位を含む情報である。また、凍結推定原因は、例えば、イグニッションスイッチが最後にオフにされイグニッションスイッチがオンにされるまでの期間において、外気温が０℃以下となった時刻や期間を示す情報である。制御部９０は、ステップＳ１０８の処理を実行した後に、報知処理を終了する。

ステップＳ１０６の処理において、水素ポンプ４６と排気排水弁４８との両方が凍結していないと判定された場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）には、制御部９０は、燃料電池システム１００に故障が発生している旨の報知を報知部８０に実行させる（ステップＳ１３１）。制御部９０は、ステップＳ１０７の報知を実行させた後に、燃料電池システム１００に発電の停止を指示する（ステップＳ１３２）。

ステップＳ１３２の処理を実行した後に、制御部９０は、ダイアグ情報を記憶部８４に出力する（ステップＳ１３３）。ダイアグ情報は、燃料電池システム１００の異常を示す情報であり、例えば、ステップＳ１０８の処理による燃料電池システム１００の発電停止時刻やステップＳ１０５およびステップＳ１０６の結果に応じた故障推定部位を含む情報である。ダイアグ情報が記憶されることによって、燃料電池システム１００の修理を行う際に故障の原因等を調べる手間が低減される。また、燃料電池システム１００の修理を行う際に、故障していない部分、例えば燃料電池スタック２０が誤って交換されることを抑制できる。制御部９０は、ステップＳ１３３の処理を実行した後に、報知処理を終了する。なお、ステップＳ１０８およびステップＳ１３３の処理によって燃料電池システム１００の発電が停止された場合であっても、燃料電池車両が燃料電池スタック２０以外の電源、例えば二次電池、を備えている場合には、燃料電池車両の走行は継続可能であってもよい。

図５は、排気排水弁４８における動作の判定処理（図４のステップＳ３０１）を説明するためのタイミングチャートである。図５は、上段から順に、排気排水弁４８における動作の判定処理の実行中におけるアノードガス供給圧力、インジェクタ４５の動作状態、および排気排水弁４８への動作指示内容を示すタイミングチャートである。また、図５において、横軸は時刻を示す。なお、排気排水弁４８が正常に動作していない場合のアノードガス供給圧力を太い実線で示し、排気排水弁４８が正常に動作している場合のアノードガス供給圧力を破線で示す。以下では、図５を用いて、図４に示したステップＳ３０１で実行される具体的な処理内容を説明する。

図５に示す様に、排気排水弁４８が閉弁している時刻Ｔ１以前において、アノードガス供給圧力が低下している。これは、燃料電池スタック２０によってアノードガス供給流路３４内のアノードガスが消費されるためである。排気排水弁４８における動作の判定処理が開始されると、例えば時刻Ｔ１において、制御部９０は、排気排水弁４８に開弁を指示する。図５において破線で示した様に、排気排水弁４８が正常に動作している場合には、排気排水弁４８の開弁が指示された時刻Ｔ１以降では、アノードガス供給圧力の減少速度が増加する。

一方、排気排水弁４８が正常に動作していない場合には、時刻Ｔ１において開弁が指示された場合であっても、排気排水弁４８が開弁しない。このため、図５において実線で示した様に、排気排水弁４８の開弁が指示された時刻Ｔ１以降も、アノードガス供給圧力の減少速度は時刻Ｔ１以前と同様である。

本実施形態において、開弁指示の実行後、予め定められた期間が経過した後に、制御部９０は、アノードガス供給圧力の低下量が図５のステップＳ３０１の説明における閾値以上であるか否かを判定する。予め定められた期間は、図５において、例えば時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間である。排気排水弁４８の動作が正常である場合のアノードガス供給圧力の低下量、例えば図５におけるΔＰ１は、閾値以上である。一方、排気排水弁４８の動作が正常でない場合のアノードガス供給圧力の低下量、例えば図５におけるΔＰ２は、閾値未満である。

本実施形態では、開弁指示の実行後、予め定められた期間が経過した後である時刻Ｔ２において、制御部９０は、インジェクタ４５に流量の増大を指示する。インジェクタ４５への指示の後、例えば図５における時刻Ｔ３において、制御部９０は、排気排水弁４８に閉弁を指示する。アノードガス供給圧力が予め定めた値まで上昇した後、例えば図５における時刻Ｔ４において、制御部９０は、インジェクタ４５に流量の増大の停止を指示する。時刻Ｔ４以降では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの間に実行された処理が繰り替えされる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、制御部９０は、取得したいずれかの単セル１０の電圧が負電圧である場合には、アノードガスの流量が増大するように流量調節弁であるインジェクタ４５に動作の変更を指示する。インジェクタ４５への指示の後に、再度取得した電圧が負電圧であり、かつ水素ポンプ４６と排気排水弁４８との少なくともいずれか一方の凍結が検知されている場合には、制御部９０は、凍結の発生を報知部８０に報知させる。このため、燃料電池システム１００の利用者である燃料電池車両の搭乗者は、燃料電池システム１００における異常である負電圧の発生が、凍結によって発生していることを知ることができる。したがって、搭乗者は、負電圧の原因である凍結に応じて、適切な対応を行うことができる。例えば、搭乗者は、燃料電池システム１００の故障ではないため、燃料電池システム１００の修理の必要性が低いと判断できる。また例えば、搭乗者は、燃料電池システム１００の温度が上昇し凍結が解消するまで、燃料電池システム１００を維持して、動作させる対応を行うことができる。

また以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、制御部９０は、取得した燃料電池スタック２０の電圧が負電圧である場合には、アノードガスの流量が増大するように流量調節弁であるインジェクタ４５に動作の変更を指示する。インジェクタ４５への指示の後に、再度取得した電圧が負電圧であり、かつ水素ポンプ４６と排気排水弁４８とのいずれにも凍結が検知されていない場合には、制御部９０は、故障の発生を報知部８０に報知させる。このため、燃料電池システム１００の利用者である燃料電池車両の搭乗者は、燃料電池システム１００における異常である負電圧の発生が、故障によって発生していることを知ることができる。したがって、搭乗者は、負電圧の原因である故障に応じて、適切な対応を行うことができる。例えば、搭乗者は、燃料電池システム１００の負電圧の解消には、専門家による修理が必要であると判断することできる。このため、搭乗者は、故障の報知を確認した後に、速やかに専門家による修理が可能な場所へと向かうことが可能である。

また以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、制御部９０は、アノードガスの流量が増大によって負電圧が解消されていなかった場合には、再びアノードガスの流量の増大を指示しない。このため、負電圧の解消に寄与しない処理を繰り返すことによる電力の無駄な消費を低減できる。

Ｂ．他の実施形態
Ｂ１．第１の他の実施形態
上記実施形態に係る燃料電池システム１００において、制御部９０は、水素ポンプ４６および排気排水弁４８の凍結の判定を実行しているが、判定を行う構成はこれら２つに限定されない。例えば、制御部９０は、水素ポンプ４６と排気排水弁４８との一方のみの凍結を判定していてもよい。また、この場合において、凍結の判定がされない構成については、動作が正常であるか否かの判定がされなくてもよい。

Ｂ２．第２の他の実施形態
上記実施形態に係る燃料電池システム１００において、制御部９０は、異なる方法を用いて、水素ポンプ４６又は排気排水弁４８の動作の異常を判定してもよい。例えば、水素ポンプ４６の動作の異常は、水素ポンプ４６からのアノードガスの排出量に応じて判定してもよい。この場合には、水素ポンプ４６の下流側にエアフロメータ等のセンサが配置されていてもよい。また例えば、排気排水弁４８の動作の異常は、気液分離器４７内に貯留された水分の量に応じて判定されてもよい。この場合には、気液分離器４７内に水位の高さを検知するセンサが配置されていてもよい。また、排気排水弁４８の動作の異常は、実験的に予め求められた開動作が実行された場合における基準圧力値と、開弁を指示した後における実際の圧力値と、の比較の結果に応じて判定されてもよい。また、例えば、排気排水弁４８がソレノイドバルブである場合には、排気排水弁４８に電圧を印加した際の電流値を測定し、かかる電流値により排気排水弁４８の凍結の有無を判定してもよい。

Ｂ３．第３の他の実施形態
上記実施形態に係る燃料電池システム１００は、制御部９０による水素ポンプ４６又は排気排水弁４８の動作の判定結果と、外気温センサによって取得される外気温と、を用いて、水素ポンプ４６又は排気排水弁４８の凍結を判定している。しかし、凍結の判定の方法は、これに限定されない。例えば、外気温に代えて、燃料電池スタック２０の温度を用いてもよい。また、燃料電池システム１００は、水素ポンプ４６および排気排水弁４８の温度を取得するセンサを備え、水素ポンプ４６および排気排水弁４８の温度を凍結の判定に用いてもよい。この場合には、制御部９０は、制御部９０による水素ポンプ４６又は排気排水弁４８の動作の判定結果を用いず、水素ポンプ４６および排気排水弁４８の温度のみを用いて凍結の有無を判定してもよい。この場合には、水素ポンプ４６および排気排水弁４８の温度を取得するセンサが、水素ポンプ４６と気液分離器４７との凍結を検知する凍結検知部として機能する。

Ｂ４．第４の他の実施形態
上記実施形態に係る燃料電池システム１００において、制御部９０は、電流制限の処理およびアノードガスの流量の増大の処理（図２のステップＳ１０２）を、予め定められた期間実行した後に終了している。しかし、処理の終了時期は、これに限定されない。例えば、ステップＳ１０３の処理において燃料電池スタック２０が負電圧であるか否かの判定が完了した後に、制御部９０は、ステップＳ１０２の処理を終了してもよい。この場合には、制御部９０は、ステップＳ１０２の処理を実行し、予め定めた時間が経過した後に、ステップＳ１０３の処理を開始してもよい。

Ｂ５．第５の他の実施形態
上記実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、駆動用モータを駆動させる発電装置として用いられていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、車両に代えて、船舶や飛行機などの駆動用電源を必要とする他の任意の移動体に搭載されて使用されてもよい。また、定置型電源として、例えば、オフィスや家庭において屋内または屋外に設置されて用いられてもよい。また、燃料電池スタック２０に含まれる各単セル１０は、固体高分子型燃料電池用の単セルであったが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池用の単セルとして構成してもよい。

上記第１から第５の他の実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、上記実施形態と同様の構成を有する点において、同様の効果を奏する。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…燃料電池スタック、２２…セルモニタ、３０…アノードガス給排機構、３４…アノードガス供給流路、３６…アノードガス循環流路、４４…レギュレータ、４５…インジェクタ、４６…水素ポンプ、４７…気液分離器、４８…排気排水弁、６０…カソードガス給排機構、６１…カソードガス供給流路、６２…カソードガス排出流路、６３…エアコンプレッサ、７０…冷媒循環機構、７１…冷媒循環流路、７２…ポンプ、８０…報知部、８４…記憶部、９０…制御部、９４…圧力センサ、１００…燃料電池システム、２００…水素ガスタンク

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスに含まれる水を分離し、前記分離した水を貯留する気液分離器と、
   前記水が分離された後の前記アノードオフガスを循環させて、前記燃料電池スタックに戻すための水素ポンプと、
   前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスの流量を調節する流量調節弁と、
   閉弁状態から開弁状態に切り替わることによって前記貯留された水を外部に排出する排気排水弁と、
   報知部と、
   各前記単セルの電圧を取得する電圧取得部と、
   前記水素ポンプと前記排気排水弁との少なくとも一方の凍結を検知する凍結検知部と、
   前記流量調節弁の動作と前記報知部の動作とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   取得した前記電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧である場合には、前記アノードガスの流量が増大するように前記流量調節弁に動作の変更を指示し、
   前記指示の後に取得した前記電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧であり、かつ前記水素ポンプと前記排気排水弁との少なくとも一方の凍結が検知されている場合には、前記凍結の発生を前記報知部に報知させ、
   前記指示の後に取得した前記電圧のうち、少なくとも１つの前記単セルの電圧が負電圧であり、かつ前記水素ポンプと前記排気排水弁とのいずれにも凍結が検知されていない場合には、故障の発生を前記報知部に報知させる、燃料電池システム。

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