JP2006156262A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 循環電磁弁の状態を簡易に検知する。
【解決手段】 外気導入電磁弁２８を開放し、循環電磁弁２６を閉止した時から所定時間経過した後の、燃料ガスの圧力（三次圧センサ出力）が負圧（大気圧未満）となっていないことを連続して所定回数判定したことを連続して所定回数判定したとき、循環電磁弁２６が異常と判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料ガスが流入される燃料室と、該酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

従来、電解質層である高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として外気）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。

上記燃料室の燃料ガス排出口は、燃料室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路に接続された循環流路に接続され、循環流路には循環ポンプが設けられている。燃料室の燃料ガスは、酸化ガスと反応した後、循環ポンプにより吸引され、燃料ガス排出口を介して循環流路に排出され、更に循環ポンプにより燃料ガス供給流路に流入し、燃料室に再度流入される。

ところで、上記燃料電池から電力を得る必要のないときは、燃料室における燃料ガスを酸化ガスに置換して、上記イオン化を停止させている。このように燃料ガスを酸化ガスに置換する際に、燃料室に、燃料ガスと酸化ガスとが緩和的に混在すると、燃料室内において局部電池状態が発生し、燃料極の一部に異常燃焼が発生して、燃料極の耐久性を著しく悪化させてしまう。よって、燃料ガスが瞬時に酸化ガスと置換されることが望まれる。

そこで、本出願人は、上記循環流路を循環電磁弁で閉じると共に上記循環ポンプを稼動させ続け、燃料ガスが供給される燃料室内や、この燃料室に燃料ガスを供給・流入する供給流入路内を負圧にし、燃料室内や供給流入路内が所定の負圧状態となった場合に、外気導入用の電磁弁を開き、外気を、供給流入路を介して燃料室に導入する装置を提案している。このように、燃料室内や供給流入路内が所定の負圧状態となった場合に、外気導入用の電磁弁を開き、外気を、供給流入路を介して燃料室に導入するので、外気が所定の負圧状態となった燃料室内や供給流入路内に瞬時に導入し、燃料ガスを酸化ガスと瞬時に置換することができる。
特開２００２−３２４５６４

しかしながら、上記装置では、循環電磁弁が正常に動作することが前提である。従って、仮に、循環電磁弁が正常に動作しなかった場合、即ち、循環流路の径が十分に閉じなかった場合、燃料室内や供給流入路内が所定の負圧状態にならない。また、仮に、燃料室内や供給流入路内が所定の負圧状態となったとしても、外気が、供給流入路や燃料室ばかりではなく、循環流路に燃料ガスの循環時の向きと逆向きに導入される。従って、燃料室の燃料ガスが、循環流路に排出されにくくなり、この結果、燃料室に燃料ガスと酸化ガスとが緩和的に混在することになる。よって、上記のように、燃料極の耐久性を悪化させてしまう。従って、循環電磁弁が正常に動作するか検知する必要がある。この場合、センサ等を設けて循環電磁弁が正常に動作するか検知することは、システムが煩雑となって妥当ではない。

本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、開閉弁の状態を簡易に検知することの可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

以上のような課題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１） 燃料ガスが流入される燃料室と、該酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料室に燃料ガスを供給する供給手段と、
前記燃料室の燃料ガスを強制的に吸引する吸引手段と、
前記吸引手段により吸引された燃料ガスが、前記供給手段に循環され又は外部に排出されるように選択的に切換える切換手段と、
前記燃料ガスの圧力を検出する検出手段と、
前記吸引手段により吸引された燃料ガスが、前記供給手段に循環する状態から、外部に排出されるように、前記切換手段を制御したときから所定時間経過した後に検出された燃料ガスの圧力に基づいて、前記切換手段の状態を判断する判断手段と、
を備えた燃料電池システム。

（２） 前記判断手段により前記切換手段が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記切換手段が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池システム。

（３） 燃料ガスが流入される燃料室と、該酸化ガスが流入される酸化ガス室と、を反応膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための第１の供給路と、
前記第１の供給路に接続され、前記燃料電池内の燃料ガスの経路及び第１の供給路内に残留した燃料ガスを置換する置換ガスを供給するための第２の供給路と、
前記第２の供給路が接続される前記第１の供給路の上流側に位置して、前記第１の供給路を開閉する第１の開閉弁と、
前記第２の供給路を開閉する第２の開閉弁と、
前記第２の供給路の前記第２の開閉弁が設けられた位置よりも下流側に一端が接続され、前記燃料室に他端が接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記第２の供給路及び前記第１の供給路を介して前記燃料室に循環するための循環路と、
前記循環路に設けられ、前記燃料室の燃料ガスを、前記第２の供給路及び前記第１の供給路を介して前記燃料室に循環させる循環ポンプと、
前記循環路と前記第２の供給路との間に配置され、前記循環路を開閉する第３の開閉弁と、
前記循環路における前記第３の開閉弁と前記循環ポンプとの間に接続され、前記燃料ガスを外部に排出するための排出路と、
前記排出路を開閉する第４の開閉弁と、
前記燃焼室又は前記燃焼室の上流側の圧力を検出する検出手段と、
前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第３の開閉弁が閉止すると共に前記第４の開閉弁が開放するように制御すると共に、該制御したときから所定時間経過した後に検出された圧力に基づいて、前記第３の開閉弁の状態を判断する判断手段と、
を備えた燃料電池システム。

（４） 前記判断手段により前記第３の開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記第３の開閉弁が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする上記（３）に記載の燃料電池システム。

請求項１に記載の発明によれば、検出手段により検出された燃料ガスの圧力に基づいて、切換手段弁の状態を判断し、切換手段を直接検査するのではないので、簡易に判断することができる。
即ち、本発明にかかる燃料電池は、燃料ガスが流入される燃料室と、該酸化ガス室と、を反応膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応による電力を出力する。この燃料室には、供給手段から、燃料ガスが供給される。また、燃料室の燃料ガスは吸引手段により強制的に吸引される。切換手段は、吸引手段により吸引された燃料ガスが、供給手段に循環され又は外部に排出されるように選択的に切換える。ここで、吸引手段により吸引された燃料ガスが、供給手段に循環する状態から、外部に排出されるように、切換手段を制御した場合、切換手段が正常に動作すると、燃焼ガスの圧力は減少し、吸引手段は燃料室の燃料ガスを強制的に吸引するので、燃焼ガスの圧力は減少し、負圧になる。

しかし、吸引手段により吸引された燃料ガスが、供給手段に循環する状態から、外部に排出されるように、切換手段を制御しても、切換手段が正常に動作しないと、燃料室の燃料ガスは吸引手段により強制的に吸引されても、吸引された燃料ガスは供給手段に循環して、継続して負圧になることはない。よって、切換手段を制御したときから所定時間経過した後の検出手段により検出された燃料ガスの圧力に基づいて、切換手段の状態を判断することができる。

そこで、本発明は、吸引手段により吸引された燃料ガスが、供給手段に循環する状態から、外部に排出されるように、切換手段を制御したときから所定時間経過した後の検出手段により検出された燃料ガスの圧力に基づいて、切換手段の状態を判断する。

請求項２に記載の発明によれば、切換手段弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、切換手段が通常の動作状態でないことを報知するので、利用者等に注意を促すことができる。

請求項３に記載の発明によれば、検出手段により検出された燃料ガスの圧力に基づいて、第３の開閉弁を判断し、切換手段を直接検査するのではないので、簡易に判断することができる。
即ち、燃料室には第１の供給路が接続され、燃料ガスが供給される。第１の供給路には、第２の供給路が接続され、後述するように、燃料ガスに置換される置換ガスが供給される。なお、第２の供給路が接続される第１の供給路の上流側には、第１の開閉弁が設けられ、第１の供給路を開閉する。また、第２の供給路は、第２の開閉弁により開閉される。

本発明では、上記第２供給路の第２開閉弁が設けられた位置よりも下流側に一端が接続され、燃料室に他端が接続された循環路が設けられ、燃料室の燃料ガスを、第２の供給路及び第１の供給路を介して燃料室に循環する役割を有する。この循環路には循環ポンプが設けられ、燃料室の燃料ガスを、第２の供給路及び前記第１の供給路を介して燃料室に循環させる。循環路と第２の供給路との間には、第３の開閉弁が配置され、循環路を開閉する。循環路における第３の開閉弁と循環ポンプとの間には排出路が設けられ、燃料ガスを外部に排出する。なお、排出路は、第４の開閉弁により開閉される。上記燃料電池から電力を出力させたい場合には、第１の開閉弁を開放して、第１の供給路を介して上記燃料室に燃料ガスを供給し、この燃料ガスと反応可能ガスとの反応により、電力が出力される。燃料室の燃焼ガスは、循環ポンプにより循環路を介して、第２の供給路及び第１の供給路を介して燃料室に循環させる。

一方、上記燃料電池から電力を出力させる必要がなくなると、燃料ガスを上記置換ガスに置換させたいが、ゆっくり置換させると上記のように、燃料室が劣化する。
そこで、本願発明は、燃料ガスを上記置換ガスに瞬時に置換させるため、次のように処理する。

まず、第１の開閉弁、第３の開閉弁を閉止すると共に、第４の開閉弁を開放する。循環ポンプが稼動し続けると、燃料室や供給手段内の燃焼ガスが、排出路を介して排出される。第１の開閉弁、第３の開閉弁を閉止し続けているので、燃料室や供給手段内が負圧になる。そこで、次に、第２の開閉弁を開放する。これにより、負圧になっている燃料室や供給手段内に、置換ガスが第２の供給路を介して導入され、燃料ガスを上記置換ガスに瞬時に置換させることができる。

以上のように、燃料ガスを上記置換ガスに瞬時に置換させることができるのは、第３の開閉弁が正常に動作することを前提にしている。第３の開閉弁が正常に動作しないと、循環ポンプからの燃料ガスが、排出路ばかりでなく、燃料室や供給手段内に循環する。よって、燃料室や供給手段内を負圧にすることができなくなるからである。よって、第３の開閉弁が正常に動作するかしないかが重要となる。ここで、上記のように、第３の開閉弁が正常に動作すると燃料ガスが負圧になるのに対し、第３の開閉弁が正常に動作しないと、燃料ガスが負圧にならない。従って、燃料ガスの圧力に基づいて、第３の開閉弁の状態を判断することができる。

そこで、本発明の判断手段は、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第３の開閉弁が閉止すると共に前記第４の開閉弁が開放するように制御すると共に、該制御したときから所定時間経過した後の前記検出手段の圧力に基づいて、前記第３の開閉弁の状態を判断する。
このように本発明によれば、検出手段により検出された燃料ガスの圧力に基づいて、第３の開閉弁の状態を判断し、第３の開閉弁を直接検査するのではないので、簡易に判断することができる。

請求項４に記載の発明によれば、第３の開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、第３の開閉弁が通常の動作状態でないことを報知するので、利用者等に注意を促すことができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。

この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。

集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。
凸状部３２は、板材の長辺に沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、網目（図示せず）を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、網目を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。

集電部材３の両端部には、流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、凸状部３２を収納する窓８１が、中央に形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。

図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。

空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ₂）等が挙げられる。

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、水噴射手段であるノズル５５から噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。

次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。
燃料供給系１０の構成について、説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＢＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元電磁弁１８、一次センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、並列接続された水素起動電磁弁２０及び水素調圧弁２１、ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂには、リリーフ弁３１が設けられ、燃料ガス供給流路２０１Ｂは、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢＩＮに接続されている。第１の供給路は、燃料ガス供給流路２０１Ｂで構成される。燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、レベルセンサＳ１１が取り付けられたトラップ２４に接続されている。トラップ２４には、循環流路２０４の一端と、ガス導出路２０３の一端がそれぞれ接続されている。ガス導出路２０３の他端は、減圧排出路２０５に接続され、最終的には後述する空気排出路１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。

循環流路２０４の他端は、外気流入路２０６に接続されている。循環流路２０４には、循環ポンプ２５と、循環電磁弁２６が設けられており、循環ポンプ２５と循環電磁弁２６の間には、減圧排出路２０５の一端が接続されている。減圧排出路２０５の他端は、空気排出路１２４に開口し、減圧排出路２０５には、減圧電磁弁２３が設けられている。外気流入路２０６の他端は、外部に開口し、開口側からフィルタ２９、外気導入電磁弁２８の順に設けられている。
燃料ガス供給流路２０１、ガス排出流路２０２、循環流路２０４、外気導入電磁弁２８により、ガスの循環経路が形成される。

次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、外気温度センサＳ６、空気ファン１２２、ヒータＨ、空気入口温度センサＳ５、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４内には、冷却水を噴射するノズル５５が設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。

空気排出路１２４は、燃料電池スタック１００の導出口４４に接続され、導出口４４から流出した空気を合流させ、外部へ導流する。空気排出路１２４には、熱交換を促進するファンが取り付けられた凝縮器５１及び凝縮器排気温センサＳ１０が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気と水分を分離する。また、ノズル５５から供給された水も、ここで、回収される。空気排出路１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００の温度が間接的に検出される。

次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段である水タンク５３と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３へ導く導水路５２と、水タンク５３の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５２には、回収ポンプ６２が設けられている。給水路５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１、水供給電磁弁６３が順に設けられている。給水路５６には、外気取入路５４が接続され、該導入路５４には、外気取入電磁弁６５が設けられている。水タンク５３には、水温センサＳ７と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ８が設けられている。凝縮器５１と、導水路５２と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。

水回収手段は、これに加えて、燃料電池スタック１００の下側に設けられ、ノズル５５から噴射された水や、燃料電池スタック１００の生成水等を受ける水受回収手段としての水受トレーに溜まった水を回収する構成を加えてもよく、凝縮器５１が設けられていない場合には、水受トレーにより水の回収が行われる。また、凝縮器５１や水受トレー等を、水タンク５３よりも、鉛直方向において、上方に配置することにより、水の回収を重力により行う構成とすることが可能となる。この場合には、回収ポンプ６２は不要となるが、切換手段による水の回収動作を制御するために、回収ポンプの代りに電磁開閉弁を設ける。

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してリレー７２、７２に接続され、さらに、リレー７２、７２は、インバータ７３を介してモータ７４に接続されている。また、インバータ７３には、出力制御装置７５を介して補助電源７６が接続されている。

この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
図９に示すように、燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ１１の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８、２０、２２〜２４、２６〜２８、６３、６５、各ポンプ２５、６２、６１、ノズル５５、ファン１２２、ヒータＨ、インバータ７３、出力制御装置７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）２００を備えている。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータ７４の駆動や停止の指示信号が入力される。

次に、本実施の形態における、循環電磁弁２６の状態を検知する原理を説明する。
イグニッションスイッチがオフ、或は、定常発電状態において車両若しくは燃料電池自体に何らかの不具合が検知され停止動作に入った場合、燃料電池システムは、停止動作に入り、まず、定常発電運転の際に動作していた水素元電磁弁１８、ガス供給弁２２、循環電磁弁２６、排気電磁弁２７を閉じ、減圧電磁弁２３を開放する。これにより、図１０（Ａ）に示すように、ガス供給弁２２で端２２Ｐ、減圧電磁弁２３で端２８Ｐ、循環電磁弁２６で端２６Ｐが形成され、これらと燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂ、燃料室、ガス排出流路２０２で定まる空間が、減圧電磁弁２３の位置２３Ｐを介して外部に開放される。次に、循環ポンプ２５の吸引動作を利用して、燃料電池スタック１００内の水素系の圧力を減圧させる。

上記のように弁１８、２２、２６、２７を閉じ、弁２３を開放する前（時刻ｔ₀前）は、図１１及び図１２（Ｂ）に示すように、三次圧センサＳ２の出力値Ｋは高圧Ｐｈであったものが、上記のように時刻ｔ₀で上記のように弁を弁１８、２２、２６、２７を閉じ、弁２３を開放すると、端２２Ｐ、２８Ｐ、２６Ｐと燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂ、燃料室、ガス排出流路２０２で定まる空間が、減圧電磁弁２３の位置２３Ｐを介して外部に開放されるので、急激に減少する。三次圧センサＳ２の出力値Ｋは、時刻ｔ₀から所定時間Ｔ経過した時刻ｔ₁で大気圧に対応する出力値Ｐ₀に到達し、更に減少を継続し、時刻ｔ_２で、燃料電池スタック１００および燃料ガス供給流路２０１Ｂ内の体積容量を置換できる程度の圧力（出力値Ｐ_ｓ）まで減圧に達する。三次圧センサＳ２の出力値Ｋが出力値Ｐ_ｓまで減圧されると、外気導入電磁弁２８を開放する。このように、外気導入電磁弁２８を開放すると、負圧化した燃料電池スタック１００内に瞬間的に空気が流入し、燃料電池スタック１００内の燃料室の燃料ガスが瞬間的に外気に置換される。これにより、図１１に示すように、燃料電池の出力電流Ｍは、時刻ｔ_２を経過すると、時間経過に対して指数関数的に下降する。

このような制御動作によって、負圧化した燃料電池スタック１００内に瞬間的に空気を導入させることにより、本出願人は、水素と外気とが偏在することで生じる劣化反応の素過程を抑制することに成功している。このような停止時の連動制御を停止時劣化対策という。

なお、時刻ｔ₀で、弁１８、２２、２６、２７を閉じ、弁２３を開放すると、循環ポンプ２５に負荷がかかり、図１１及び図１２（Ａ）に示すように、循環ポンプ２５の駆動電流Ｌは瞬間的に大きく脈動し、ほぼ一定値となる。

しかしながら、この停止時劣化対策制御の際、循環電磁弁２６が正常に動作しない、即ち、閉止しない場合は、図１０（Ｂ）に示すように、端２２Ｐ、２８Ｐと燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂ、燃料室、ガス排出流路２０２、更には循環電磁弁２６の位置２６Ｐを介して循環空間が形成されると共に、この空間は、減圧電磁弁２３の位置２３Ｐを介して外部に開放される。

このような場合、上記のように弁１８、２２、２７を閉じ、弁２３を開放する前は、図１１及び図１３（Ｂ）に示すように、三次圧センサＳ２の出力値Ｋは高圧Ｐｈであったものが、上記のように時刻ｔ₀で弁１８、２２、２７を閉じ、弁２３を開放すると、上記空間が、減圧電磁弁２３の位置２３Ｐを介して外部に開放されるので、急激に減少する。しかし、上記のように循環空間が形成されかつ外部にも開放されるため、三次圧センサＳ２の出力値Ｋは、時刻ｔ₀から所定時間Ｔ経過した時刻ｔ₁を経過し、大気圧に対応する出力値Ｐ₀に到達しても、その後は、減少を継続せず、大気圧のままで維持され、負圧にはならない。なぜなら、循環ポンプ２５により吸引されても燃料ガスは循環され、減少されないからである。

以上説明したように、循環電磁弁２６が正常に動作すると、図１１及び図１２（Ｂ）に示すように、上記時刻ｔ₀から所定時間Ｔ経過した時刻ｔ₁で、三次圧センサＳ２の出力値Ｋは、大気圧に対応する出力値Ｐ₀に到達し、更に減少を継続するのに対し、循環電磁弁２６が正常に動作しないと、図１３（Ｂ）に示すように、上記時刻ｔ₀から所定時間Ｔ経過した時刻ｔ₁した後、三次圧センサＳ２の出力値Ｋは、大気圧に対応する出力値Ｐ₀に到達するが、出力値Ｐ₀を下回ることはない。よって、三次圧センサＳ２の出力値Ｋ（燃料ガスの圧力（燃料室や燃料ガス供給路内の燃料ガスの圧力））から、循環電磁弁２６が正常に動作したかしないかを判断することができる。これにより、循環電磁弁２６の異常の早期発見と、これに起因する燃料電池の危険予知が行える。

なお、循環ポンプ２５が正常に動作する場合には、図１１、図１２（Ａ）、及び図１３（Ａ）に示すように、循環ポンプ２５の駆動電流Ｌは瞬間的に大きく脈動するので、この駆動電流Ｌの状態から、循環ポンプ２５の状態（正常、異常）を判断することができる。

次に、循環電磁弁２６の状態の検知処理を、図１４に示す、循環電磁弁の状態検知処理プログラムのフローチャートを参照して具体的に説明する。
上記のように、上記のように弁１８、２２、２６、２７が閉じ、弁２３が開放するように制御し、循環ポンプ２５の駆動電流Ｌから、循環ポンプ２５が正常であると判断できた場合に、循環電磁弁の状態検知処理プログラムがスタートし、弁１８、２２、２６、２７が閉じ、弁２３が開放するように制御した時刻ｔ₀から所定時間Ｔ経過したか否か判断し、上記時刻ｔ₀から所定時間Ｔ経過した時刻ｔ₁となった場合には、ステップ５０２で、本プログラムで使用する変数Ｋ、Ｃを０に初期化する。なお、本プログラムでは、循環電磁弁２６の状態を複数回判定するものであり、Ｃは、この判定回数をカウントするための変数である。また、本プログラムでは、循環電磁弁２６の状態が異常と判定されても、連続して所定回数異常と判定されたときに、循環電磁弁２６の状態が異常であると最終的に結論するものであり、Ｋは、循環電磁弁２６の状態が異常と連続判定された回数をカウントするための変数である。

ステップ５０４で、変数Ｃを１インクリメントし、ステップ５０６で、三次圧センサＳ２の出力値を取り込み、ステップ５０８で、三次圧センサＳ２の出力値が大気圧に対応する出力値Ｐ₀未満となったか否かを判断する。

三次圧センサＳ２の出力値が大気圧に対応する出力値Ｐ₀未満となったと判断された場合には、循環電磁弁２６が正常に動作したと判断でき、ステップ５１０で、変数Ｋを０に初期化して、ステップ５１６で、変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃ0となったか否かを判断する。
変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃ0でない場合には、ステップ５０４に戻って、以上の処理（ステップ５０４〜５１６）を繰り返す。

一方、ステップ５０８で、三次圧センサＳ２の出力値が大気圧に対応する出力値Ｐ₀未満と判断された場合には、循環電磁弁２６が正常に動作していないと判断でき、循環電磁弁２６が正常に動作していないことを連続してカウントするため、ステップ５１４で、変数Ｋを１インクリメントし、ステップ５１６で、変数Ｋが所定値Ｋｎとなったか否かを判断する。変数Ｋが所定値Ｋｎとなっていない場合には、循環電磁弁２６が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしていないので、ステップ５１６に進む。

しかし、変数Ｋが所定値Ｋｎとなった場合には、循環電磁弁２６が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしたので、ステップ５１８で、水素と空気との接触を避けるため安全に水素をスタックに閉じ込めた異常停止モードを実行して、安全に燃料電池を停止する。これにより燃料室における燃料ガスと酸化ガスとの接触による発電を回避することができ、燃料極の劣化を抑制することができる。

なお、上記ステップ５１６で、変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃ0となった場合には、循環電磁弁２６の状態を総判定回数Ｃ０判定する内に、循環電磁弁２６が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしていないので、循環電磁弁２６の状態は正常であると判定することができるので、本プログラムを終了する。

以上説明したように本実施の形態では、循環電磁弁２６を開放させた場合の三次圧力センサの出力値に基づいて、循環電磁弁２６の状態を判断しているので、循環電磁弁２６の状態を簡易に判断することができる。

また、本実施の形態では、循環電磁弁２６の状態の判定処理を、停止時の連動制御を停止時劣化対策（負圧化した燃料電池スタック１００内に瞬間的に空気を導入させる）と共に実行しているので、停止時劣化対策は、耐久性課題克服と補記不具合を検知できる非常に有効なシステム停止制御手法とすることができる。

更に、前述した実施形態では、異常を検知した場合には、上記異常停止モードを実行すると共に、警告表示するようにしてもよい。これにより利用者等に注意を促すことができる。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池スタックの構成を示す単電池の全体正面図である。 燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。 燃料電池スタックを構成する単電池の全体背面図である。 単位セルの断面図である。 燃料電池スタックの部分平面図である。 燃料電池システムの制御系のブロック図である。 （Ａ）は、循環電磁弁が正常に動作した場合の燃料ガスが存在する空間を、（Ｂ）は、循環電磁弁が正常に動作しなかった場合の燃料ガスが存在する空間を示す概念図である。 循環電磁弁が正常に動作した場合の燃料電子スタックの出力電流（Ｍ）、三次圧センサの出力電流（Ｋ）、及び循環ポンプの駆動電流（Ｌ）を示すグラフである。 循環電磁弁が正常に動作した場合の、（Ａ）は循環ポンプの駆動電流Ｌ、（Ｂ）は、三次圧センサの出力電流（Ｋ）を示すグラフである。 循環電磁弁が正常に動作しなかった場合の、（Ａ）は循環ポンプの駆動電流Ｌを示すグラフであり、（Ｂ）は、三次圧センサの出力電流（Ｋ）を、循環電磁弁が正常に動作しなかった場合の三次圧センサの出力電流（点線）と対比させて示すグラフである。 燃料電池システムの循環電磁弁の状態検知処理プログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１１ 水素貯蔵タンク（供給手段）
１００ 燃料電池スタック（燃料電池）
２０１Ａ、２０１Ｂ 燃料ガス供給流路（第１の供給路、供給手段）
２２ ガス供給弁（第１の開閉弁）
２０６ 外気流入路（第２の供給路）
２８ 外気導入電磁弁（第２の開閉弁）
２０４ 循環流路（循環路）
２５ 循環ポンプ（吸引手段）
２０２ ガス排出流路（吸引手段）
２６ 循環電磁弁（第３の開閉弁、切換手段）
２０５ 減圧排出路（排出路）
２３ 減圧電磁弁（第４の開閉弁）
Ｓ２ 三次圧センサ（検出手段）
２００ 制御装置（判断手段）

Claims (4)

1. 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料室に燃料ガスを供給する供給手段と、
   前記燃料室の燃料ガスを強制的に吸引する吸引手段と、
   前記吸引手段により吸引された燃料ガスが、前記供給手段に循環され又は外部に排出されるように選択的に切換える切換手段と、
   前記燃料ガスの圧力を検出する検出手段と、
   前記吸引手段により吸引された燃料ガスが、前記供給手段に循環する状態から、外部に排出されるように、前記切換手段を制御したときから所定時間経過した後に検出された燃料ガスの圧力に基づいて、前記切換手段の状態を判断する判断手段と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記判断手段により前記切換手段が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記切換手段が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガスが流入される燃料室と、該酸化ガスが流入される酸化ガス室と、を反応膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための第１の供給路と、
   前記第１の供給路に接続され、前記燃料電池内の燃料ガスの経路及び第１の供給路内に残留した燃料ガスを置換する置換ガスを供給するための第２の供給路と、
   前記第２の供給路が接続される前記第１の供給路の上流側に位置して、前記第１の供給路を開閉する第１の開閉弁と、
   前記第２の供給路を開閉する第２の開閉弁と、
   前記第２の供給路の前記第２の開閉弁が設けられた位置よりも下流側に一端が接続され、前記燃料室に他端が接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記第２の供給路及び前記第１の供給路を介して前記燃料室に循環するための循環路と、
   前記循環路に設けられ、前記燃料室の燃料ガスを、前記第２の供給路及び前記第１の供給路を介して前記燃料室に循環させる循環ポンプと、
   前記循環路と前記第２の供給路との間に配置され、前記循環路を開閉する第３の開閉弁と、
   前記循環路における前記第３の開閉弁と前記循環ポンプとの間に接続され、前記燃料ガスを外部に排出するための排出路と、
   前記排出路を開閉する第４の開閉弁と、
   前記燃焼室又は前記燃焼室の上流側の圧力を検出する検出手段と、
   前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁、及び前記第３の開閉弁が閉止すると共に前記第４の開閉弁が開放するように制御すると共に、該制御したときから所定時間経過した後に検出された圧力に基づいて、前記第３の開閉弁の状態を判断する判断手段と、
   を備えた燃料電池システム。
4. 前記判断手段により前記第３の開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記第３の開閉弁が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

Images