JP2006172954A - 燃料電池システム及び燃料電池システムにおける循環ポンプの異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 循環ポンプの状態変化を迅速に判断する。
【解決手段】 循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉを取り込み、循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉが所定の閾値Ｉ0以上か否かを判断する。閾値Ｉ0は、循環ポンプ２５が正常に動作したときの循環ポンプ２５の駆動電流の、変動分を考慮した下限値である。従って、循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉが所定の閾値Ｉ0以上でないと、循環ポンプ２５が正常でないと判断でき、これを連続して所定値カウントすると、異常停止モードを実行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムにおける循環ポンプの異常検出方法にかかり、より詳細には、燃料電池へ供給される燃料ガスの供給異常検出する燃料電池システムとその検出方法に関する。

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池（特許文献１参照）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気的なエネルギーを得ている。
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、循環流路には水素循環電磁弁及び循環ポンプが設けられている。

循環ポンプは、上記のように電力を得ている状態（定常状態）では、燃料電池内に燃料ガスが安定して流れることを確保したり、上記イオン化の際に生成される水を燃料電池外部に導いたり、上記イオン化に使用されなかった燃料ガスを再度燃料電池に導いたりしている。このようにして、循環ポンプは安定しかつ効率のよい電力供給に貢献しており、循環ポンプの果たす役割は非常に大きい。このため、循環ポンプは常に正常に稼動することが望まれる。
特開２００３−３１７７６９公報

しかしながら、上記循環ポンプに不具合が生ずる場合がある。例えば、燃料電池内での生成水の蒸気化により水素管内に残留しポンプ内に水が侵入することで循環ポンプの能力が低下したり、あるいは、断線などにより停止したりする場合がある。このような場合には、燃料電池システムの燃料ガスの供給、循環流路内で、定常層流が形成されず、燃料ガスの流れにしがらみが発生する。この結果、燃料電池内で、燃料ガスの反応面にて反応場分布が生じ、出力電圧の降下や、更には不均一な反応場による理想的な水生成場が形成されずに燃料電池のフラッディング現象を発生させる。加えて、反応場外における反応生成水の吸引がなされず、流路内に水づまり等をも発生させる。

以上のように、循環ポンプの不具合は燃料電池の性能を著しく悪化させるので、循環ポンプの不具合を検知する必要がある。上記のように循環ポンプの不具合は、燃料電池の性能を著しく悪化させ、出力電圧や燃料電池への燃料ガス供給流路内の圧力に異常を発生させるので、これらから、循環ポンプの不具合を検知することも考えられる。

しかし、燃料電池からの出力電圧や燃料電池への燃料ガス供給流路内の圧力の異常を検知することにより循環ポンプの不具合を検知することは、異常が発生した後の現象を検知するものであり、燃料電池自体が被るダメージは、避けられない。従って、燃料電池ダメージを極力低減できる予知的な検知方法を見出すことが有用である。

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、循環ポンプの状態変化を迅速に判断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。

以上のような問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、該燃料ガスと反応可能な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、
前記燃料電池のガス取入口に接続され、燃料ガスを供給するための供給路と、
一端が前記燃料電池のガス排出口に、他端が前記供給路に接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記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、前記循環路を介して前記第１の供給路に循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプの駆動電流を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記ポンプの駆動電流に基づいて、前記循環ポンプの状態変化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循環ポンプが通常の動作状態でない状態に変化したと判断された場合に、前記循環ポンプ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）記載の燃料電池システム。

（３）前記判断手段は、前記燃料電池からの電力の出力を停止する際に実行する前記燃料室内の燃料ガスを置換ガスに置換する処理を行う前に、前記循環ポンプの状態変化を判断することを特徴とする上記（１）又は（２）記載の燃料電池システム。

（４）燃料ガスが流入される燃料室と、該燃料ガスと反応可能な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、
前記燃料電池のガス取入口に接続され、燃料ガスを供給するための供給路と、
一端が前記燃料電池のガス排出口に、他端が前記供給路に接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記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、前記循環路を介して前記第１の供給路に循環させる循環ポンプとを備えた燃料電池システムにおける循環ポンプの異常を検出する方法であって、
予め定められたタイミングで前記循環ポンプの駆動電流の電流値を検出し、
検出された電流値に基づいて前記循環ポンプの異常を判断することを特徴とする燃料電池システムにおける循環ポンプの異常検出方法。

請求項１記載の発明によれば、循環ポンプの駆動電流に基づいて、循環ポンプの状態変化を判断するので、循環ポンプの状態変化を迅速に検知することができる。これにより、循環ポンプの異常によりシステムの各部に悪影響が生じる前にシステムの異常を予知し、未然に不具合の発生を防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、循環ポンプが通常の動作状態でない状態に変化したと判断された場合に、循環ポンプ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記載の発明によれば、燃料電池からの電圧の出力を停止する際に実行する燃料室内の燃料ガスを置換ガスに置換する処理を行う前に、循環ポンプの状態変化を判断するので、循環ポンプが通常の動作状態でない状態に変化したと判断された場合には、燃料室内の燃料ガスを置換ガスに置換する処理しないようにすることができ、電力浪費を防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、循環ポンプの駆動電流に基づいて、循環ポンプの状態変化を判断するので、循環ポンプの状態変化を迅速に検知し、循環ポンプの異常によりシステムの各部に悪影響が生じる前にシステムの異常を予知することができる。これにより、システムに不具合が発生することを未然に防止することができる。

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１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、板材の長辺と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、孔３２０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、孔３２０を通じて、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。

また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。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、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。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。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。循環ポンプ２５には、循環ポンプの駆動電流を検出する駆動電流検出センサＳ１０が設けられている。
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、ファンが取り付けられた凝縮器５１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で出力される電圧は、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〜Ｓ１０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、循環ポンプ２５の異常（正常状態から異常状態への状態変化）を検知する原理を説明する。
水素循環ポンプ２５の動作能力を示す電力消費量の定常負荷に対する時間変化を図１１に示す。なお、本実施の形態では、定格１２Ｖの水素循環ポンプ２５の駆動電流（負荷電流）Ｉ、及び、燃料ガス供給流路２０１Ａ内の圧力（二次圧センサＳ１の出力（二次圧力Ｍ）、及び、三次圧力センサＳ２の出力（三次圧力Ｌ））をサンプリングした。

図１１に示すように、センサＳ１０で検出された水素循環ポンプ２５の駆動電流値曲線Ｋは、水素循環ポンプ２５の状態が正常である時間ｔ＝ｔ１までは大きく変動しない。
時間ｔ＝ｔ１で、水素循環ポンプ２５の電源を切断してみた。即ち、水素循環ポンプ２５に駆動電流を供給する線が断線した状態を擬似的に形成した。すると、図１１に示すように、水素循環ポンプ２５の駆動電流Ｉは、瞬時に略０Ａになった。

次に、時間ｔ＝ｔ２で再度、水素循環ポンプ２５に電源を投入して正常動作に戻してみた。図１１に示すように、燃料ガス供給流路２０１Ａ内の圧力（二次圧力Ｍ及び三次圧力Ｌ）は、時間ｔ１と時間ｔ２との間でも大きな変動はみられなかった。なお、図１１には示していないが、燃料電池の出力電圧は、上述したように、燃料ガス供給流路２０１Ｂ内の水づまりによりわずかに下降現象を示した。

以上説明したように、水素循環ポンプ２５の異常は、燃料ガス供給流路２０１Ａ内の圧力や、燃料電池の出力電圧よりも、水素循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉを用いて判断したほうが、瞬時に行えると共に、水素循環ポンプ２５の異常による燃料電池に与えるダメージを事前に抑制することができる。
そこで、上記のように、水素循環ポンプ２５の駆動電流値Ｋを用いて、循環ポンプ２５の異常（正常状態から異常状態への状態変化）を、具体的には、次のように判断している。

次に、循環ポンプ２５の異常の検知処理を、図１０に示す、循環ポンプ異常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。なお、循環ポンプ異常検知処理プログラムは、電源が投入された時から所定時間（例えば、１０（ミリ秒））毎に繰り返し実行される。

本循環ポンプ異常検知処理プログラムがスタートすると、ステップ５２２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、循環ポンプ２５の異常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、循環ポンプ２５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、循環ポンプ２５が異常であると最終的に結論するものであり、Ｋは、循環ポンプ２５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５２４で、変数Ｃを１インクリメントし、ステップ５２６で、駆動電流検出センサＳ１０により検出された循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉを取り込み、ステップ５２８で、循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉが所定の閾値Ｉ0以上か否かを判断する。

ここで、閾値Ｉ０は、上記図１１を用いて説明した実験から得られた、循環ポンプ２５が正常に動作した場合における循環ポンプ２５の駆動電流値の、変動分を考慮した下限値である。例えば、閾値Ｉ０は、正常に動作した場合における循環ポンプ２５の駆動電流値の８０％に設定される。この閾値は任意に変更することができる。閾値Ｉ０を高く設定すれば、循環ポンプ２５の異常を検出する感度が高くなり、異常の早期発見ができる。また、低く設定すれば、検出センサＳ１０を含む回路の突発的なノイズを検出して、誤作動する可能性が低くなる。

循環ポンプ２５の駆動電流Ｉが所定の閾値Ｉ０以上と判断された場合には、循環ポンプ２５が正常と判断でき、ステップ５３０で、変数Ｋを０に初期化して、ステップ５３６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５２４に戻って、以上の処理（ステップ５２４〜５３６）を繰り返す。

一方、ステップ５２８で、循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉが所定の閾値Ｉ0以上と判断されなかった場合、即ち、循環ポンプ２５の駆動電流値Ｉが、循環ポンプ２５が正常に動作した場合における循環ポンプ２５の駆動電流の、変動分を考慮した下限値Ｉ0未満である場合には、循環ポンプ２５が正常に動作していないと判断でき、循環ポンプ２５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５３２で、変数Ｋを１インクリメントし、ステップ５３４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、循環ポンプ２５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５３６に進む。

しかし、変数Ｋが所定値Ｋｎとなった場合には、循環ポンプ２５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５３８で、異常停止モード（例えば、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る処理や、循環ポンプ２５への電流供給を停止する等）を実行して、安全に燃料電池を停止する。所定値Ｋｎに到達したかを、判断するステップ５３４を設けることによって、回路のノイズによる検出値のバラツキにより、誤判断することを防止するためである。

なお、上記ステップ５３６で、変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃ0となった場合には、循環ポンプ２５の状態を総判定回数Ｃ０判定する内に、循環ポンプ２５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、循環ポンプ２５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、循環ポンプ２５の駆動電流に基づいて、循環ポンプ２５の異常を判断しているので、燃料電池システムの各部に異常が発生する前に循環ポンプ２５の異常を迅速に検知できる。これにより、循環ポンプ２５の異常に起因する燃料電池の危険予知が行える。以上説明した、ステップ５２２〜５３８によって、判断手段が構成され、センサＳ１０によって、検出手段が構成される。

ところで、以上説明した例は、循環ポンプ異常検知処理プログラムが、電源が投入された時から所定時間（例えば、１０（ミリ秒））毎に繰り返し実行される場合（主として運転時）を例にとり説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、運転停止時にも同様に判断するようにしてもよい。

ここで、燃料電池システムの運転停止時には、水素が供給される燃料室内や、この燃料室に水素を供給・流入する燃料ガス供給流路２０１Ｂ内を循環ポンプ２５により負圧にし、燃料室内や燃料ガス供給流路２０１Ｂ内が所定の負圧状態となった場合に、外気導入電磁弁２８を開き、外気を、燃料ガス供給流路２０１を介して燃料室に導入する。このように、燃料室内や燃料ガス供給流路２０１Ｂ内が所定の負圧状態となった場合に、外気導入電磁弁２８を開き、外気を、燃料ガス供給流路２０１Ｂ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燃料ガス供給流路２０１Ｂ内に瞬時に導入し、水素を酸化ガスと瞬時に置換することができる。これにより、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よる燃料室内における局部電池状態の発生や、燃料極の耐久性の著しい悪化を防止することができる。
このような運転停止時に、循環ポンプ２５が異常となると、水素が供給される燃料室内や、この燃料室に水素を供給・流入する燃料ガス供給流路２０１Ｂ内を負圧にすることができない。

循環ポンプ２５が異常な状態で上記運転停止処理を行うと、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より、燃料室内において局部電池状態が発生し、燃料極の耐久性を著しく悪化させる。
このようなことを防止するため、運転停止時においても、循環ポンプ異常検知処理プログラムを所定時間（例えば、１０（ミリ秒））毎に繰り返し実行する。

そして、仮に、運転停止時において、上記循環ポンプ異常検知処理で、循環ポンプが異常と判断された場合には、燃料室内の水素を外気に置換する処理をしないようにすることができ、電力浪費を防止することができる。

また、前述した実施の形態では、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、報知する。これにより利用者等に注意を促すことができる。報知手段は、例えば、音声やブザーなどの聴覚刺激による聴覚情報により、又は、ランプの点灯／点滅や、ディスプレイ表示などの視覚情報により、異常である旨が報知される。視覚情報の場合には、文字情報により、異常個所、検出時刻など、一層詳しい情報を報知することができる。

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。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータで構成された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。 燃料電池用セパレータ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１の制御系のブロック図である。 燃料電池スタックの循環ポンプ異常検知処理プログラムを示すフローチャートである。 循環ポンプの異常を擬似的に発生させたときの循環ポンプの駆動電流を、二次圧センサ及び三次圧センサの出力電流と対比させて示すグラフである。

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（供給路）
２０４ 循環流路（循環路）
２５ 循環ポンプ
２６ 循環電磁弁（開閉弁）
Ｓ１０ 駆動電流検出センサ（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、該燃料ガスと反応可能な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、
   前記燃料電池のガス取入口に接続され、燃料ガスを供給するための供給路と、
   一端が前記燃料電池のガス排出口に、他端が前記供給路に接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記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、前記循環路を介して前記第１の供給路に循環させる循環ポンプと、
   前記循環ポンプの駆動電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記ポンプの駆動電流に基づいて、前記循環ポンプの状態変化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循環ポンプが通常の動作状態でない状態に変化したと判断された場合に、前記循環ポンプ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記載の燃料電池システム。
3. 前記判断手段は、前記燃料電池の発電を停止する際に実行する前記燃料室内の燃料ガスを置換ガスに置換する処理を行う前に、前記循環ポンプの状態変化を判断することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスが流入される燃料室と、該燃料ガスと反応可能な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、
   前記燃料電池のガス取入口に接続され、燃料ガスを供給するための供給路と、
   一端が前記燃料電池のガス排出口に、他端が前記供給路に接続され、前記燃料室の燃料ガスを、前記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、前記循環路を介して前記第１の供給路に循環させる循環ポンプとを備えた燃料電池システムにおける循環ポンプの異常を検出する方法であって、
   予め定められたタイミングで前記循環ポンプの駆動電流の電流値を検出し、
   検出された電流値に基づいて前記循環ポンプの異常を判断することを特徴とする燃料電池システムにおける循環ポンプの異常検出方法。

Images