JP2012248522A

JP2012248522A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2012248522A
Application number: JP2011121952A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Yanai; 智紀谷内; Koji Terada; 興司寺田; Hidenobu Watanabe; 秀信渡辺; Shigeji Otani; 茂史大谷
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】特別な装置を用いることなく、燃料輸送手段、さらには、電流センサの故障の有無を精度良く判定することができ、燃料電池の損傷を抑制できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム２が、液体燃料が供給される燃料電池３とその発電電流を測定する電流センサ３８と燃料電池３に液体燃料を輸送する第１燃料輸送ポンプ３４と第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力を測定する電力センサ３９と電流センサ３８および第１燃料輸送ポンプ３４の故障の有無を判定するコントロールユニット２９とを備え、コントロールユニット２９は、燃料電池３の発電電流が０のときに第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力が所定範囲にあるか否かによって第１燃料輸送ポンプ３４の故障の有無を判定し、また、燃料電池３の発電量が所定値であるときに第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力が所定範囲にあるか否かによって電流センサ３８の故障の有無を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料が供給される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、通常、電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向配置された燃料側電極および酸素側電極とが圧着されて得られる膜・電極接合体（ＭＥＡ）が、セパレータを介して複数積層されることによって、形成されている。

そして、燃料電池では、燃料輸送ポンプによって燃料側電極に燃料ガス（水素ガス）を供給するとともに、酸素輸送ポンプによって酸素側電極に酸素などの酸化ガスを供給することにより、各電極で電気化学反応を生じさせ、起電力を発生させている。

しかるに、このような燃料電池において、燃料輸送ポンプが故障すると、燃料電池に対して、必要量の燃料を輸送することができず、または、過剰の燃料を輸送してしまい、燃料電池が損傷する場合がある。そのため、燃料輸送ポンプの故障を判断する方法が、種々検討されている。

例えば、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た燃料電池と、その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、その供給路および燃料電池のガス排出口に接続され、燃料ガスを循環させるための循環路と、その循環路に設けられ、燃料ガスを循環させる循環ポンプと、その循環ポンプの駆動電流を検出する検出手段と、その検出手段により検出されたポンプの駆動電流に基づいてポンプの状態変化を判断する判断手段とを備える燃料電池システムが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１記載の燃料電池システムでは、循環ポンプの駆動電流をセンサにより検知し、その電流に基づいて循環ポンプの状態変化を判断している。

特開２００６−１７２９５４号公報

しかるに、このような燃料電池システムにおいて、例えば、循環ポンプの駆動電流を検知するセンサが故障している場合には、その故障を検知できず、そのため、循環ポンプの状態変化を正常に判断できないという不具合がある。

このような場合には、循環ポンプの故障を検知できないので、燃料電池に対して、必要量の燃料を輸送することができず、または、過剰の燃料を輸送してしまい、燃料電池に損傷を生ずる場合がある。

また、例えば、センサの故障を検知するため、さらに、検知手段を設けることも検討されるが、このような検知手段を増設すると、やはり、コストが増大し、さらには、限られた設備スペースを圧迫するという不具合がある。

一方、近年では、燃料として、ガスではなく、液体燃料を用いる燃料電池システム、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムの開発が進められている。

このような液体燃料を用いる燃料電池システムにおいても、液体燃料の供給ポンプが故障すると、燃料電池に対して、必要量の燃料を輸送することができず、または、過剰の燃料を輸送してしまい、燃料電池に損傷を生じる。

そこで、本発明の目的は、特別な装置を用いることなく、燃料輸送手段、さらには、電流センサの故障の有無を精度良く判定することができ、燃料電池の損傷を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、液体燃料が供給される燃料電池と、前記燃料電池の発電電流を測定するための電流センサと、前記燃料電池に液体燃料を輸送するための燃料輸送手段と、前記燃料輸送手段の消費電力を測定するための電力センサと、前記電流センサおよび前記燃料輸送手段の故障の有無を判定するための故障判定手段とを備え、前記故障判定手段は、前記電流センサにより測定される前記燃料電池の発電電流が０のときに、前記電力センサにより測定される前記燃料輸送手段の消費電力が所定の範囲にあるか否かによって、前記燃料輸送手段の故障の有無を判定し、また、前記電流センサにより測定される前記燃料電池の発電量が所定の値であるときに、前記電力センサにより測定される前記燃料輸送手段の消費電力が所定の範囲にあるか否かによって、前記電流センサの故障の有無を判定することを特徴としている。

本発明の燃料電池システムでは、故障判定手段が、電流センサにより測定される燃料電池の発電電流が０のときに、電力センサにより測定される燃料輸送手段の消費電力が所定の範囲にあるか否かによって、燃料輸送手段の故障の有無を判定し、また、電流センサにより測定される燃料電池の発電量が所定の値であるときに、電力センサにより測定される燃料輸送手段の消費電力が所定の範囲にあるか否かによって、電流センサの故障の有無を判定するので、特別な装置を用いることなく、燃料輸送手段、さらには、電流センサの故障の有無を判定することができる。

そのため、本発明の燃料電池システムによれば、コストの低減を図るとともに、燃料電池の損傷を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。図１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理を表わすフロー図である。

１．燃料電池システムの全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。

図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、図示しない空気給排部と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。

燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。

また、燃料電池３の出力電圧は、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流は、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。

燃料電池３は、電解質層８と、電解質層８の一方側に配置されたアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（燃料電池セル）が、セパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層８を介してアノード９およびカソード１０が対向配置されてなる単位セル２８が複数積層されている。なお、図１では、積層される複数の単位セル２８のうち、電動車両１の前後方向最前端に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。

電解質層８は、例えば、アニオン成分またはカチオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜またはカチオン交換膜を用いて形成されている。

アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料を供給するための燃料供給部材１２とを有している。

アノード電極１１は、電解質層８の一方面に形成されている。アノード電極１１の電極材料としては、例えば、触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。

燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料を接触させるための燃料供給路１３が形成される。

燃料供給路１３には、液体燃料をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。

カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素）を供給するための空気供給部材１７とを有している。

カソード電極１６は、電解質層８の他方面に形成されている。

カソード電極１６の電極材料としては、例えば、アノード電極１１の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。

空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させるための空気流路としての空気供給路１８が形成される。

空気供給路１８には、空気をカソード１０内に流入させるための空気供給口１９が他端側（上側）に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が一端側（下側）に形成されている。

また、このような燃料電池３において、複数の単位セル２８をそれぞれ区分する１つのセパレータは、上記燃料供給部材１２および上記空気供給部材１７を兼ね備える。換言すると、セパレータは、その一方側面において、燃料供給部材１２として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材１７として作用する。

そして、このような燃料電池３は、燃料電池３の発電電流を測定するための電流センサ３８を備えている。電流センサ３８としては、特に制限されず、公知の電流センサが用いられる。

このような電流センサ３８は、燃料電池３に電気的に接続されるとともに、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、電流センサ３８により検知された電流値が、コントロールユニット２９（後述）に入力される。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２１と、燃料タンク２１から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、アノード９）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９）に還流するための還流路としての還流管２２とを備えている。

燃料タンク２１は、燃料電池３よりも後方、電動車両１の後側に配置されている。燃料タンク２１には、上記した液体燃料が貯蔵されている。

還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料排出口１４に接続されている。
これにより、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１４および燃料供給口１５）が、燃料電池３の外部に設けられた還流管２２を介して密閉状態で連通する。したがって、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１４（上流側）から排出される液体燃料が、還流管２２を介して燃料供給口１５（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１４に戻ることによりアノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。

また、還流管２２の途中には、気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が２つ形成されている。

また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。上部流通口２５および１対の底部流通口２４は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。

気液分離器２３は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、２つの底部流通口２４が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。

すなわち、２つの底部流通口２４それぞれに対して還流管２２が密嵌され、一方（上流側）の底部流通口２４に密嵌された上流側の還流管２２と、他方の（下流側）の底部流通口２４に密嵌された下流側の還流管２２とが気液分離器２３の中空部分を介して連通している。すなわち、気液分離器２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。

上部流通口２５には、気液分離器２３で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。ガス排出管２６は、シール材（ガスケット）を介して上部流通口２５に接続されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁２７は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号がガス排出弁２７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。

還流管２２において気液分離器２３の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の途中には、燃料電池３に液体燃料を輸送するための燃料輸送手段としての第１燃料輸送ポンプ３４が介在されている。

第１燃料輸送ポンプ３４としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。第１燃料輸送ポンプ３４は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、第１燃料輸送ポンプ３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第１燃料輸送ポンプ３４の駆動および停止を制御する。

また、第１燃料輸送ポンプ３４には、第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力を測定するための電力センサ３９が接続されている。

電力センサ３９としては、特に制限されず、公知の電力センサが用いられる。

このような電力センサ３９は、第１燃料輸送ポンプ３４に電気的に接続されるとともに、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、電力センサ３９により検知された電力値が、コントロールユニット２９（後述）に入力される。

また、還流管２２における、気液分離器２３と第１燃料輸送ポンプ３４との間には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を還流管２２へ供給するための燃料供給管３６が、接続されている。

具体的には、燃料供給管３６は、その一端側が、還流管２２における気液分離器２３と第１燃料輸送ポンプ３４との間に、還流管２２の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側が、燃料タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。

また、燃料供給管３６の途中には、燃料供給弁３７が設けられている。

燃料供給弁３７は、燃料供給管３６を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁３７は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が燃料供給弁３７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３７の開閉を制御する。

また、燃料供給管３６において、燃料供給弁３７と燃料タンク２１との間（燃料供給弁３７の上流側）には、第２燃料輸送ポンプ３５が設けられている。

第２燃料輸送ポンプ３５としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。第２燃料輸送ポンプ３５は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、第２燃料輸送ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２燃料輸送ポンプ３５の駆動および停止を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出管（図示せず）とを備えている。

空気供給管（図示せず）は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給管（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。

これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。

空気排出管（図示せず）は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
（４）制御部
制御部６は、電流センサ３８および第１燃料輸送ポンプ３４の故障の有無を判定するための故障判定手段、かつ、燃料電池システム２の制御手段としてのコントロールユニット２９を備えている。

コントロールユニット２９は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、第１燃料輸送ポンプ３４、第２燃料輸送ポンプ３５などの駆動および停止や、燃料供給弁３７、ガス排出弁２７、空気供給弁（図示せず）の開閉などを、適宜制御するとともに、後述するように、電流センサ３８および第１燃料輸送ポンプ３４の故障の有無を判定する。
（５）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギを電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ３１と、モータ３１に電気的に接続されるインバータ３２と、モータ３１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ３３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とを備えている。

モータ３１は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ３１としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。

インバータ３２は、モータ３１と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３２は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ３２は、配線により、燃料電池３およびモータ３１にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット２９と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。

動力用バッテリ３３としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度のニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ３３は、インバータ３２と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３１に電力を供給可能とされている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、動力用バッテリ３３と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ３３の入出力電力を調整する機能を有している。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、図示しないが、コントロールユニット２９と電気的に接続されており、これにより、コントロールユニット２９から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ３３にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ３２に電気的に接続されている。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０からモータ３１への電力は、インバータ３２において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３１に供給される。
２．燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット２９の制御により、燃料供給弁３７が開かれ、第１燃料輸送ポンプ３４および第２燃料輸送ポンプ３５が駆動されることにより、燃料タンク２１に貯留される液体燃料が、燃料供給管３６および還流管２２を順次通過し、アノード９に供給される。一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３７は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。

アノード９では、液体燃料が、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。

そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生するとともに、この電気化学反応によって、液体燃料中にガス（気泡）が発生する。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（アノード電極１１での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（３）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極１１では、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）とカソード電極１６での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２（ガス））および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

アノード電極１１で発生した電子（ｅ⁻）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極１６に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ⁻）が、電流となる。

一方、カソード電極１６では、電子（ｅ⁻）と、外部からの供給もしくは燃料電池３での反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（２）参照）。

そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。

また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（６）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極１１では、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）とカソード電極１６での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して、窒素（Ｎ_２（ガス））および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（４）参照）。

そして、上記と同様、アノード電極１１で発生した電子（ｅ⁻）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極１６に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ⁻）が、電流となる。また、カソード電極１６では、上記と同様、電子（ｅ⁻）と水（Ｈ_２Ｏ）と酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（５）参照）。そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（４）参照）が生じる。

このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）または上記式（６）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に送電され、動力部７では、インバータ３２およびモータ３１、および／または、動力用バッテリ３３に送電される。そして、モータ３１では、インバータ３２により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ３３では、その電力が充電される。

また、燃料給排部４では、アノード９から排出される液体燃料が、還流管２２（燃料電池３の下流側、かつ、気液分離器２３の上流側の還流管２２）を通過して、上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり４０が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり４０に含まれるガス（例えば、液体燃料がメタノールである場合に上記式（１）の反応により生成する二酸化炭素（ＣＯ_２）、液体燃料がヒドラジンである場合に上記式（４）の反応により生成する窒素（Ｎ_２）など）の一部が液溜まり４０の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり４０の一部が、下流側の底部流通口２４から、気液分離器２３の下流側の還流管２２に流出する。

このとき、還流管２２に流出する液体燃料は、ガス（気泡）、具体的には、気液分離器２３において上方空間へ分離されたガスの残部のガス（気泡）を含有する。

還流管２２に流出する液体燃料は、還流管２２（燃料電池３の上流側、かつ、気液分離器２３の下流側の還流管２２）を通過して、再び燃料供給路１３に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流管２２、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離されたガスは、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。

そして、このような燃料電池システム２では、第１燃料輸送ポンプ３４が、所定の回転数で駆動され、所定量の液体燃料が、燃料電池３に輸送されるとともに、コントロールユニット２９により、動力部７（インバータ３２）が制御され、燃料電池３の発電量が制御される。

具体的には、上記したように、燃料電池３の発電量が少ないときには、上記した電気化学的反応によるガス（例えば、液体燃料がメタノールである場合に上記式（１）の反応により生成する二酸化炭素（ＣＯ_２）、液体燃料がヒドラジンである場合に上記式（４）の反応により生成する窒素（Ｎ_２）など）の発生量が少なく、とりわけ、燃料電池３が発電しないときには、電気化学的反応が起きないので、ガスは発生しない。

このような場合には、循環路２２を循環される液体燃料は、気泡の含有量が少なく（または気泡を含有せず）、液体燃料の比重が大きいので、第１燃料輸送ポンプ３４を所定の回転数で駆動させるために必要な電力（消費電力）は、大きくなる。

一方、燃料電池３の発電量が多いときには、上記した電気化学的反応によるガスの発生量が多い。

このような場合には、循環路２２を循環される液体燃料は、気泡の含有量が多く、液体燃料の比重が小さいので、第１燃料輸送ポンプ３４を所定の回転数で駆動させるために必要な電力（消費電力）は、小さくなる。

そのため、このような燃料電池システム２では、予め、燃料電池３の発電電流を電流センサ３８により測定し、その測定値（発電電流）に対応するように、すなわち、液体燃料中の気泡量（比重）に対応するように、第１燃料輸送ポンプ３４を駆動させるように、設定する。

しかし、燃料電池システム２において、第１燃料輸送ポンプ３４が故障すると、燃料電池３に対して必要量の液体燃料を輸送することができず、または、過剰の液体燃料を輸送してしまい、燃料電池３に損傷を生じる場合がある。

そこで、この燃料電池システム２では、第１燃料輸送ポンプ３４、さらには、電流センサ３８の故障の有無を判定し、燃料電池３の損傷を抑制する。
３．第１燃料輸送ポンプおよび電流センサの故障判定
図２は、図１のコントロールユニット２９において実行される制御処理を表わすフロー図である。図２に示す制御処理（プログラム）は、例えば、ＲＯＭやＲＡＭに記憶されており、その制御処理がＣＰＵにより実行される。

この制御処理は、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。処理がスタートされると、まず、故障判定モードを実行するか否か（ＹＥＳ／ＮＯ）が判断される（ステップＳ１）。

具体的には、この燃料電池システム２では、例えば、所定のタイミング（頻度）で、故障判定モードが実行され（ステップＳ１のＹＥＳ）、その他のタイミングでは実行されない（ステップＳ１のＮＯ）。なお、故障判定モードが実行されない場合（ステップＳ１のＮＯ）には、再度、故障判定モードを実行するか否かが、判断される。

一方、故障判定モードが実行される場合（ステップＳ１のＹＥＳ）には、まず、コントロールユニット２９により、第１燃料輸送ポンプ３４の回転数が予め設定された所定の値（図２では、１０００ｒｐｍ）となるように、第１燃料輸送ポンプ３４が駆動される（ステップＳ２）。

次いで、コントロールユニット２９により、動力部７（インバータ３２）が制御され、電流センサ３８により測定される燃料電池３の発電電流が０になるように（つまり、燃料電池３の発電が停止するように）、燃料電池システム２が制御される（ステップＳ３）。

次いで、電力センサ３９によって、第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_１を測定する（ステップＳ４）。

そして、電力センサ３９により測定される第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_１が、所定の範囲（図２では、８００Ｗ≦Ｗ_１≦１０００Ｗ）にあるか否かによって、第１燃料輸送ポンプ３４の故障の有無を判定する（ステップＳ５）。

具体的には、燃料電池３が発電していないときには、気泡（ガス）が発生せず、その影響がないので、第１燃料輸送ポンプ３４が正常に駆動していれば、その消費電力Ｗ_１は、予め設定された上記範囲を示す（ステップＳ５のＹＥＳ）。このような場合には、後述するように、続いて、電流センサ３８の故障の有無が判定される。

これに対して、消費電力Ｗ_１が上記範囲にない場合（ステップＳ５のＮＯ）には、第１燃料輸送ポンプ３４が上記の回転数で駆動しておらず、必要量を超過する量の液体燃料を燃料電池３に輸送している、または、必要量に満たない量の液体燃料しか燃料電池３に輸送していないと、判断される。

つまり、このような場合には、第１燃料輸送ポンプ３４が故障していると判断され、その第１燃料輸送ポンプ３４により輸送される液体燃料の過剰または不足によって、燃料電池３に損傷を生じる場合があるため、制御処理を終了し、適宜、第１燃料輸送ポンプ３４の故障をランプの点灯やブザーなどにより報知する。

一方、上記したように、第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_１が上記の範囲にある場合（ステップＳ５のＹＥＳ）には、第１燃料輸送ポンプ３４が正常に駆動していると判断される。

第１燃料輸送ポンプ３４が故障していないと判断される場合には、次いで、電流センサ３８の故障の有無が判定される。

具体的には、コントロールユニット２９により、動力部７（インバータ３２）が制御され、電流センサ３８により測定される燃料電池３の発電電流が所定の値（図２では、１００Ａ）になるように、燃料電池システム２が制御される（ステップＳ６）。

次いで、電力センサ３９によって、第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_２を測定する（ステップＳ７）。

そして、電流センサ３８により測定される燃料電池３の発電電流が、上記の所定の値であるときに、電力センサ３９により測定される第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_２が、所定の範囲（図２では、１００≦Ｗ_１−Ｗ_２≦２００Ｗ）にあるか否かによって、電流センサ３８の故障の有無を判定する（ステップＳ８）。

具体的には、この燃料電池システム２では、第１燃料輸送ポンプ３４は、上記したように、燃料電池３の発電電流（および、液体燃料中の気泡の量）に対応する消費電力で駆動する。

そのため、第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_２が上記の範囲のとき、第１燃料輸送ポンプ３４が上記の回転数で駆動し、必要量の液体燃料を燃料電池３に輸送し、これにより、燃料電池３は、その発電電流が上記の所定の値（１００Ａ）となるように発電する。

このような場合において、電力センサ３９により測定される第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_２が、上記範囲にない場合（ステップＳ８のＮＯ）には、第１燃料輸送ポンプ３４が上記の回転数で駆動しておらず、必要量を超過する量の液体燃料を燃料電池３に輸送している、または、必要量に満たない量の液体燃料しか燃料電池３に輸送していないと、判断される。

このような場合には、燃料電池３の発電電流が上記の値になく（例えば、発電電流が１００Ａを超過、または、１００Ａ未満）、それにも関わらず、発電電流を所定の値（１００Ａ）であると測定していることになる。

このような場合には、第１燃料輸送ポンプ３４に故障がないことをステップＳ５において確認していることから、電流センサ３８が故障していると判断されるので、制御処理を終了し、適宜、電流センサ３８の故障をランプの点灯やブザーなどにより報知する。

一方、第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_２が、上記範囲にある場合（ステップＳ８のＹＥＳ）には、第１燃料輸送ポンプ３４が上記の回転数で駆動しており、必要量の液体燃料を燃料電池３に輸送され、燃料電池３の発電電流が上記の所定の値（１００Ａ）であると判断される。

すなわち、電流センサ３８が故障しておらず、電流センサ３８が燃料電池３の発電電流を正確に測定していると判断される。

このような場合には、第１燃料輸送ポンプ３４および電流センサ３８のいずれにも故障が無いことが確認されるので、制御処理が終了される。

なお、その後、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に連続的に実行される。
４．作用効果
本発明の燃料電池システム２では、コントロールユニット２９が、電流センサ３８により測定される燃料電池３の発電電流が０のときに、電力センサ３９により測定される第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_１が所定の範囲にあるか否かによって、第１燃料輸送ポンプ３４の故障の有無を判定し、また、電流センサ３８により測定される燃料電池３の発電量が所定の値であるときに、電力センサ３９により測定される第１燃料輸送ポンプ３４の消費電力Ｗ_２が所定の範囲にあるか否かによって、電流センサ３８の故障の有無を判定するので、特別な装置を用いることなく、第１燃料輸送ポンプ３４、さらには、電流センサ３８の故障の有無を判定することができる。

そのため、本発明の燃料電池システム２によれば、コストの低減を図るとともに、燃料電池３の損傷を抑制することができる。

１電動車両
２燃料電池システム
３燃料電池
２９コントロールユニット
３４第１燃料輸送ポンプ
３８電流センサ
３９電力センサ

Claims

液体燃料が供給される燃料電池と、
前記燃料電池の発電電流を測定するための電流センサと、
前記燃料電池に液体燃料を輸送するための燃料輸送手段と、
前記燃料輸送手段の消費電力を測定するための電力センサと、
前記電流センサおよび前記燃料輸送手段の故障の有無を判定するための故障判定手段と
を備え、
前記故障判定手段は、
前記電流センサにより測定される前記燃料電池の発電電流が０のときに、前記電力センサにより測定される前記燃料輸送手段の消費電力が所定の範囲にあるか否かによって、前記燃料輸送手段の故障の有無を判定し、
また、前記電流センサにより測定される前記燃料電池の発電量が所定の値であるときに、前記電力センサにより測定される前記燃料輸送手段の消費電力が所定の範囲にあるか否かによって、前記電流センサの故障の有無を判定することを特徴とする、燃料電池システム。