JP2017152261A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弁装置の故障時に簡易な制御により迅速に燃料電池への燃料ガスの供給を継続することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、水素ガス供給路５２に並列に設けられたインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０を備える。この燃料電池システム１０の運転方法では、故障検知部１００によってインジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０の故障を検知する故障検知工程と、故障検知工程で故障が検知された場合に水素ガス供給制御部９８がインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のそれぞれを互いに等しい操作量で開弁制御する弁制御工程とを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを導く燃料ガス供給路と、燃料電池に酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路とを備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

例えば、特許文献１には、燃料電池に燃料ガスを供給する複数のインジェクタを燃料ガス供給路に並列に設けた燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは、発電電流等に応じて各インジェクタの操作量（開度又は開弁時間等）を設定している。

特開２０１４−１０７０５７号公報

上述した燃料電池システムにおいて、インジェクタ（弁装置）が故障した場合であっても、簡易な制御により迅速に燃料電池への燃料ガスの供給を継続できることが望まれている。

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、弁装置の故障時に簡易な制御により迅速に燃料電池への燃料ガスの供給を継続することができ、ユーザの利便性を向上させることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを導く燃料ガス供給路と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に並列に設けられ、前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量を調整可能な複数の弁装置と、各前記弁装置を制御する燃料ガス供給制御部と、前記弁装置の故障を検知する故障検知部と、を備え、前記燃料ガス供給制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に各前記弁装置を互いに等しい操作量で開弁制御することを特徴とする。

上記の構成を採用した本発明の燃料電池システムによれば、弁装置の故障が故障検知部によって検知された場合に各弁装置を互いに等しい操作量で開弁制御するため、簡易な制御により迅速に燃料電池への燃料ガスの供給を継続できる。これにより、燃料ガスの供給不足による燃料電池システムの運転停止を抑えることができるため、ユーザの利便性を向上させることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に導く循環流路と、前記燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込む循環ポンプと、を備え、前記燃料ガス供給制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に前記循環ポンプを駆動させてもよい。

このような構成によれば、循環ポンプの作用によって燃料ガスを燃料電池に効率的に導くことができるため、燃料電池のアノード側の水を効率的に燃料電池から排出することができる。これにより、燃料電池のアノード側に水が溜まることを抑制できるので、発電を良好に継続できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に前記燃料電池の出力電流が大きいほど前記循環ポンプの出力を大きくしてもよい。

このような構成によれば、燃料電池の出力電流が比較的大きくなり燃料電池のアノード側の水量が多くなると予想される場合であっても、循環ポンプの出力を大きくするため、燃料電池のアノード側に水が溜まることを効率的に抑えることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、複数の前記弁装置は、第１弁装置及び第２弁装置を有し、前記燃料ガス供給路は、前記第１弁装置が設けられた第１流路と、前記第２弁装置が設けられ、前記第１流路における前記第１弁装置の下流側に接続する第２流路と、を有し、前記第１弁装置の下流側における前記第１流路及び前記第２流路の接続部と前記第１弁装置との間には、前記燃料排ガスを前記第１流路に混合させるエゼクタが設けられ、前記循環ポンプの消費電力に関連する物理量に基づいて前記第１弁装置及び前記第２弁装置のいずれが故障しているのかを判定する故障判定部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、第２弁装置の故障時には第１弁装置の故障時よりも循環ポンプの消費電力が大きくなるため、各弁装置に故障検知機能を設ける必要なく、故障している弁装置を容易に判定することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給制御部は、前記第２弁装置が故障していると前記故障判定部にて判定された場合に前記循環ポンプの駆動を停止してもよい。

このような構成によれば、第１弁装置及びエゼクタによって燃料排ガスを燃料電池に循環させながら循環ポンプの駆動を停止して消費電力を削減することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、負荷が必要とする電力に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に前記燃料電池の発電量を制限してもよい。

このような構成によれば、アノードストイキ不足（燃料ガス不足）になることを抑制できるので、燃料電池の劣化を抑えることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記弁装置は、インジェクタであってもよい。

このような構成によれば、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を容易に制御することができる。

本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを導く燃料ガス供給路と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に並列に設けられ、前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量を調整可能な複数の弁装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記弁装置の故障を検知する故障検知工程と、前記故障検知工程によって前記弁装置の故障が検知された場合に各前記弁装置を互いに等しい操作量で開弁制御する弁制御工程と、を行う、ことを特徴とする。

このような燃料電池システムの運転方法によれば、上述した燃料電池システムと同様の作用効果を奏する。以下に示す燃料電池システムの運転方法についても同様である。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記故障検知工程によって前記弁装置の故障が検知された場合に、循環ポンプを駆動することにより前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込むポンプ駆動工程を行ってもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記ポンプ駆動工程では、前記燃料電池の出力電流が大きいほど前記循環ポンプの出力を大きくしてもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、複数の前記弁装置は、第１弁装置及び第２弁装置を有し、前記燃料ガス供給路は、前記第１弁装置が設けられた第１流路と、前記第２弁装置が設けられ、前記第１流路における前記第１弁装置の下流側に接続する第２流路と、を有し、前記第１弁装置の下流側における前記第１流路及び前記第２流路の接続部と前記第１弁装置との間には、前記燃料排ガスを前記第１流路に混合させるエゼクタが設けられ、前記ポンプ駆動工程の後で、前記循環ポンプの消費電力に関連する物理量に基づいて前記第１弁装置及び前記第２弁装置のいずれが故障しているのかを判定する故障判定工程を行ってもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記故障判定工程によって前記第２弁装置が故障していると判定された場合に前記循環ポンプの駆動を停止するポンプ停止工程を行ってもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記故障検知工程によって前記弁装置の故障が検知された場合に、前記燃料電池の発電量を制限する発電量制限工程を行ってもよい。

本発明によれば、弁装置の故障時に、弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に各弁装置を互いに等しい操作量で開弁制御するため、弁装置の故障時に簡易な制御により迅速に燃料電池への燃料ガスの供給を継続することができ、ユーザの利便性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 前記運転方法の変形例を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（燃料電池）１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８が設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを導くための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路（燃料ガス供給路）５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。

水素ガス供給路５２は、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられたメイン供給路（第１流路）５８ａと、前記インジェクタ５４及び前記エゼクタ５６を跨いで設けられたバイパス供給路（第２流路）５８ｂとを有する。

インジェクタ５４は、メイン供給路５８ａを流れる燃料ガスの流量を調整可能な電磁弁を有する第１弁装置である。エゼクタ５６は、インジェクタ５４から導かれた水素ガスを利用して後述する水素循環流路６６の水素排ガス（燃料排ガス）を吸い込み、前記水素ガスに混合して下流側に吐出するものである。

バイパス供給路５８ｂは、メイン供給路５８ａにおけるエゼクタ５６よりも下流に接続している。バイパス供給路５８ｂには、ＢＰ（バイパス）インジェクタ６０が設けられる。すなわち、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０は、並列に設けられている。ＢＰインジェクタ６０は、バイパス供給路５８ｂを流れる燃料ガスの流量を調整可能な電磁弁を有する第２弁装置である。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ５４は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路（オフガス配管）６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路（循環流路）６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ（循環ポンプ）６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に始動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。

水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。燃料ガス供給装置１４は、アノード流路の水素ガス圧力を検出するために、例えば、水素ガス供給路５２に水素ガス入口４４ａの近傍に位置して圧力センサ７８を備え、前記圧力センサ７８の検出信号が制御部２２に送られる。

酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する空気供給路（酸化剤ガス供給路）８０と、燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂに連通する空気排出路８２とを備える。空気供給路８０の途上には、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ８４が配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を導入し、空気排出路８２は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路８６を備え、前記冷却媒体供給路８６の途上には、水ポンプ８８が配置される。冷却媒体供給路８６は、ラジエータ９０に接続されるとともに、前記ラジエータ９０には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路９２が接続される。

制御部２２は、負荷が必要とする電力に基づいて燃料電池スタック１２の発電量を制御する。負荷としては、例えば、図示しない走行用モータ及び水素ポンプ６８等が挙げられる。なお、負荷は、エアポンプ８４及び水ポンプ８８等を含んでいてもよい。制御部２２には、燃料電池スタック１２の出力電流を検出する図示しない電流センサの検出信号が送られる。

制御部２２は、操作量設定部９６、水素ガス供給制御部（燃料ガス供給制御部）９８、故障検知部１００、暫定操作量算出部１０２及び故障判定部１０４を有する。

操作量設定部９６は、インジェクタ５４の操作量及びＢＰインジェクタ６０の操作量を設定する。ここで、インジェクタ５４の操作量は、インジェクタ５４の開度及び開弁時間の両方を含む。ただし、インジェクタ５４の操作量は、インジェクタ５４の開度及び開弁時間のいずれか一方であってもよい。ＢＰインジェクタ６０の操作量は、ＢＰインジェクタ６０の開度及び開弁時間の両方を含む。ただし、ＢＰインジェクタ６０の操作量は、ＢＰインジェクタ６０の開度及び開弁時間のいずれか一方であってもよい。

操作量設定部９６は、燃料電池スタック１２に目標供給量の水素ガスが供給されるようなインジェクタ５４の操作量とＢＰインジェクタ６０の操作量とを設定する。目標供給量とは、燃料電池スタック１２の目標とする発電量を得るために必要な燃料電池スタック１２に対する水素ガスの供給量である。

水素ガス供給制御部９８は、操作量設定部９６によって設定された操作量に基づいてインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０を制御する。また、水素ガス供給制御部９８は、水素ポンプ６８を制御する。

故障検知部１００は、圧力センサ７８の検出信号に基づいてインジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０の故障を検知する。この故障検知部１００は、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれか一方が故障していることを検知するものであり、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているかまでは特定しない。

具体的には、故障検知部１００は、圧力センサ７８によって検出された水素ガスの圧力（検出水素圧力）と目標水素圧力との圧力差が所定値以上である場合にインジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０が故障していると判定する。すなわち、例えば、検出水素圧力が目標水素圧力よりも所定値以上低い場合には、インジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０が閉故障していることがわかる。なお、ここで、閉故障とは、水素ガス供給制御部９８からの開弁信号を受けても開弁しない故障をいう。

暫定操作量算出部１０２は、故障検知部１００にてインジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０の故障が検知された場合に、暫定操作量を算出する。暫定操作量は、ＢＰインジェクタ６０を閉弁した（インジェクタ５４のみを開弁する）場合における水素ガスの目標供給量に対応したインジェクタ５４の操作量である。ただし、暫定操作量は、インジェクタ５４を閉弁した（ＢＰインジェクタ６０のみを開弁する）場合における水素ガスの目標供給量に対応したＢＰインジェクタ６０の操作量であってもよい。

故障判定部１０４は、水素ポンプ６８の消費電力（負荷）に基づいてインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているのかを判定する。例えば、ＢＰインジェクタ６０が閉故障しインジェクタ５４が正常である場合にはインジェクタ５４からエゼクタ５６に導かれた水素ガスの作用によって水素排ガスが循環されるため、水素ポンプ６８の消費電力は比較的小さくなる。そのため、この場合には、故障判定部１０４は、ＢＰインジェクタ６０が閉故障していると判定する。

一方、ＢＰインジェクタ６０が正常でありインジェクタ５４が閉故障している場合にはインジェクタ５４からエゼクタ５６に水素ガスが導かれずエゼクタ５６によって水素排ガスは循環されないため、水素ポンプ６８の負荷は比較的大きくなる。そのため、この場合には、故障判定部１０４は、インジェクタ５４が閉故障していると判定する。ただし、故障判定部１０４は、水素ポンプ６８の消費電力に関連する物理量（例えば、水素ポンプ６８の回転数や水素ガス供給制御部９８から水素ポンプ６８に送られる電流値等）に基づいてインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているのかを判定してもよい。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。このとき、水素ガス供給制御部９８は、操作量設定部９６によって設定された操作量に基づいてインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０の少なくとも一方を操作（開弁制御）する。例えば、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のそれぞれが開弁制御された場合には、水素ガスは、メイン供給路５８ａとバイパス供給路５８ｂに分岐する。

そして、メイン供給路５８ａに導かれた水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。一方、バイパス供給路５８ｂに導かれた水素ガスは、ＢＰインジェクタ６０を通ってメイン供給路５８ａにおけるエゼクタ５６の下流側に合流して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガス入口４４ａに供給された水素ガスは、水素ガス流路３８に導入され、水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ８４の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ８８の作用下に、冷却媒体供給路８６から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路９２に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、水素排ガスとして水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気は、空気出口４６ｂから空気排出路８２に排出される。

次に、インジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０が故障した場合の燃料電池システム１０の運転方法について図２のフローチャートに沿って、以下に説明する。

図２のステップＳ１において、故障検知部１００は、圧力センサ７８の検出信号に基づいてインジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０の故障を検知する（故障検知工程）。すなわち、故障検知部１００は、圧力センサ７８により取得された検出水素圧力と目標水素圧力とを比較し、その圧力差が所定値以上である場合にインジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０が故障していると判定する。なお、このステップＳ１において、故障検知部１００は、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているかの特定は行わない。

続いて、ステップＳ２において、暫定操作量算出部１０２は、水素ガスの目標供給量に基づいて暫定操作量を算出する。具体的には、暫定操作量算出部１０２は、例えば、ＢＰインジェクタ６０を閉弁した（インジェクタ５４のみを開弁する）場合における水素ガスの目標供給量に対応したインジェクタ５４の操作量を暫定操作量として算出する。

そして、ステップＳ３において、水素ガス供給制御部９８は、インジェクタ５４の操作量とＢＰインジェクタ６０の操作量とのそれぞれが暫定操作量になるようにインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０を制御する（弁制御工程）。すなわち、インジェクタ５４の操作量とＢＰインジェクタ６０の操作量とは、互いに等しい操作量（暫定操作量）となる。

これにより、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているのか特定することなく、燃料電池スタック１２に目標供給量の水素ガスを供給することができる。つまり、インジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０が故障した場合であっても、簡易な制御により迅速に燃料電池スタック１２への水素ガスの供給を継続できる。従って、水素ガスの供給不足による燃料電池システム１０の運転停止を抑えることができるため、ユーザの利便性を向上させることができる。

次いで、ステップＳ４において、水素ガス供給制御部９８は、水素ポンプ６８を駆動する（ポンプ駆動工程）。そうすると、水素ポンプ６８の作用によって、燃料電池スタック１２から排出された水素排ガスが水素循環流路６６を介してメイン供給路５８ａに強制的に循環される。

これにより、水素ポンプ６８の作用によって燃料電池スタック１２の生成水のうち水素ガス流路３８に導かれた水（アノード側の水）を水素ガス排出路６２に効率的に排出することができる。よって、燃料電池スタック１２の水素ガス流路３８（アノード側）に水が溜まることを抑制できるので、発電を良好に継続できる。

また、このステップＳ４では、水素ガス供給制御部９８は、燃料電池スタック１２の出力電流（燃料電池スタック１２の発電量）が大きいほど水素ポンプ６８の回転数（出力）を大きくする。

これにより、燃料電池スタック１２の出力電流が比較的大きくなり水素ガス流路３８の水量が多くなると予想される場合であっても水素ポンプ６８の出力を大きくするため、水素ガス流路３８に水が溜まることを効率的に抑えることができる。

また、ステップＳ５において、制御部２２は、燃料電池スタック１２の発電量の上限値を設定することにより、燃料電池スタック１２の発電量を制限する（発電量制限工程）。具体的には、制御部２２は、インジェクタ５４が閉弁（全閉）しＢＰインジェクタ６０が全開（最大開度で開弁）している状態での燃料電池スタック１２の最大発電量が上限値となるように燃料電池スタック１２の発電量を制限する。

これにより、アノードストイキ不足（水素ガス不足）になることを抑制できるので、燃料電池スタック１２の劣化を抑えることができる。ただし、制御部２２は、ＢＰインジェクタ６０が閉弁（全閉）しインジェクタ５４が全開している状態での燃料電池スタック１２の最大発電量が上限値となるように燃料電池スタック１２の発電量を制限してもよい。

ステップＳ５の処理の後、本実施形態に係るフローチャートは終了する。上記のフローチャートでは、ステップＳ５をステップＳ４よりも先に行ってもよい。

インジェクタ５４又はＢＰインジェクタ６０が故障した際の燃料電池システム１０の運転方法は、上述した形態に限定されない。例えば、図３に示すフローチャートに沿って運転を行ってもよい。なお、図３のステップＳ１〜ステップＳ５は、上述した図２のステップＳ１〜ステップＳ５と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

図３のステップＳ６では、故障判定部１０４は、水素ポンプ６８の消費電力に基づいてインジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているのかを判定する（故障判定工程）。

具体的には、故障判定部１０４は、例えば、燃料電池スタック１２への水素ガスの供給量に対する水素ポンプ６８の消費電力が比較的小さい（基準値よりも小さい）場合は、ＢＰインジェクタ６０が故障（閉故障）していると判定する。一方、故障判定部１０４は、例えば、燃料電池スタック１２への水素ガスの供給量に対する水素ポンプ６８の消費電力が比較的大きい（基準値よりも大きい）場合に、インジェクタ５４が故障（閉故障）していると判定する。これにより、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のそれぞれに故障検知機能を設ける必要なく、インジェクタ５４及びＢＰインジェクタ６０のいずれが故障しているのかを容易に判定することができる。

故障判定部１０４によりＢＰインジェクタ６０が故障していると判定された場合には、ステップＳ７において、水素ガス供給制御部９８は、インジェクタ５４の操作量を変更する。具体的には、操作量設定部９６は、燃料電池スタック１２に目標供給量の水素ガスが供給されるように、インジェクタ５４の操作量を設定する。そして、水素ガス供給制御部９８は、操作量設定部９６によって設定された操作量に基づいてインジェクタ５４を制御する。

また、ステップＳ８において、水素ガス供給制御部９８は、水素ポンプ６８の駆動を停止する（ポンプ停止工程）。この場合、インジェクタ５４は正常であるため、エゼクタ５６によって水素排ガスを循環させることができるからである。これにより、水素ポンプ６８の駆動に要する消費電力を削減（燃料電池スタック１２の負荷を低減）することができる。

さらに、ステップＳ９において、制御部２２は、燃料電池スタック１２の発電量の上限値を変更する。具体的には、上述したステップＳ５において、インジェクタ５４が閉弁しＢＰインジェクタ６０が全開している状態での最大発電量を燃料電池スタック１２の発電量の上限値としている場合には、ＢＰインジェクタ６０が閉弁しインジェクタ５４が全開している状態での最大発電量を燃料電池スタック１２の発電量の上限値として変更する。なお、ステップＳ５において、ＢＰインジェクタ６０が閉弁しインジェクタ５４が全開している状態での最大発電量を燃料電池スタック１２の発電量の上限値としている場合には、ステップＳ９の処理を省略してもよい。ステップＳ９の処理の後、図３のフローチャートは終了する。

ステップＳ６において、故障判定部１０４によりインジェクタ５４が故障していると判定された場合には、ステップＳ１０において、水素ガス供給制御部９８は、ＢＰインジェクタ６０の操作量を変更する。具体的には、操作量設定部９６は、燃料電池スタック１２に目標供給量の水素ガスが供給されるように、ＢＰインジェクタ６０の操作量を設定する。そして、水素ガス供給制御部９８は、操作量設定部９６によって設定された操作量に基づいてＢＰインジェクタ６０を制御する。

また、ステップＳ１１において、水素ガス供給制御部９８は、水素ポンプ６８の駆動を継続する。この場合、インジェクタ５４が故障しているため、エゼクタ５６によって水素排ガスを循環させることができないからである。このように、水素ポンプ６８の駆動を継続することにより、燃料排ガスを確実に循環させることができる。

さらに、ステップＳ１２において、制御部２２は、燃料電池スタック１２の発電量の上限値を変更する。具体的には、上述したステップＳ５において、ＢＰインジェクタ６０が閉弁しインジェクタ５４が全開している状態での最大発電量を燃料電池スタック１２の発電量の上限値としている場合には、ＢＰインジェクタ６０が全開しインジェクタ５４が閉弁している状態での最大発電量を燃料電池スタック１２の発電量の上限値として変更する。なお、ステップＳ５において、インジェクタ５４が閉弁しＢＰインジェクタ６０が全開している状態での最大発電量を燃料電池スタック１２の発電量の上限値としている場合には、ステップＳ１２の処理を省略してもよい。ステップＳ１２の処理の後、図３のフローチャートは終了する。

図３に示すフローチャートにおいて、ステップＳ７〜ステップＳ９を行う順序は任意に変更可能であり、ステップＳ１０〜ステップＳ１２を行う順序は任意に変更可能である。

燃料電池システム１０では、水素ガス供給路５２に３つ以上のインジェクタが並列に設けられていてもよい。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック（燃料電池）
２２…制御部 ５０…水素タンク
５２…水素ガス供給路（燃料ガス流路）
５４…インジェクタ（第１弁装置） ５６…エゼクタ
５８ａ…メイン供給路（第１流路） ５８ｂ…バイパス供給路（第２流路）
６０…ＢＰインジェクタ（第２弁装置）
６６…水素循環流路（循環流路） ６８…水素ポンプ（循環ポンプ）
７８…圧力センサ ９６…操作量設定部
９８…水素ガス供給制御部 １００…故障検知部
１０２…暫定操作量算出部 １０４…故障判定部

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを導く燃料ガス供給路と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に並列に設けられ、前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量を調整可能な複数の弁装置と、
   各前記弁装置を制御する燃料ガス供給制御部と、
   前記弁装置の故障を検知する故障検知部と、を備え、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に各前記弁装置を互いに等しい操作量で開弁制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に導く循環流路と、
   前記燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込む循環ポンプと、を備え、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に前記循環ポンプを駆動させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に前記燃料電池の出力電流が大きいほど前記循環ポンプの出力を大きくする、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２又は３に記載の燃料電池システムにおいて、
   複数の前記弁装置は、第１弁装置及び第２弁装置を有し、
   前記燃料ガス供給路は、
   前記第１弁装置が設けられた第１流路と、
   前記第２弁装置が設けられ、前記第１流路における前記第１弁装置の下流側に接続する第２流路と、を有し、
   前記第１弁装置の下流側における前記第１流路及び前記第２流路の接続部と前記第１弁装置との間には、前記燃料排ガスを前記第１流路に混合させるエゼクタが設けられ、
   前記循環ポンプの消費電力に関連する物理量に基づいて前記第１弁装置及び前記第２弁装置のいずれが故障しているのかを判定する故障判定部をさらに備える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記第２弁装置が故障していると前記故障判定部にて判定された場合に前記循環ポンプの駆動を停止する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   負荷が必要とする電力に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記弁装置の故障が前記故障検知部によって検知された場合に前記燃料電池の発電量を制限する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弁装置は、インジェクタである、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを導く燃料ガス供給路と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に並列に設けられ、前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量を調整可能な複数の弁装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記弁装置の故障を検知する故障検知工程と、
   前記故障検知工程によって前記弁装置の故障が検知された場合に各前記弁装置を互いに等しい操作量で開弁制御する弁制御工程と、を行う、
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 請求項８記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記故障検知工程によって前記弁装置の故障が検知された場合に、循環ポンプを駆動することにより前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込むポンプ駆動工程を行う、
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 請求項９記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記ポンプ駆動工程では、前記燃料電池の出力電流が大きいほど前記循環ポンプの出力を大きくする、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
11. 請求項９又は１０に記載の燃料電池システムの運転方法において、
    複数の前記弁装置は、第１弁装置及び第２弁装置を有し、
    前記燃料ガス供給路は、
    前記第１弁装置が設けられた第１流路と、
    前記第２弁装置が設けられ、前記第１流路における前記第１弁装置の下流側に接続する第２流路と、を有し、
    前記第１弁装置の下流側における前記第１流路及び前記第２流路の接続部と前記第１弁装置との間には、前記燃料排ガスを前記第１流路に混合させるエゼクタが設けられ、
    前記ポンプ駆動工程の後で、前記循環ポンプの消費電力に関連する物理量に基づいて前記第１弁装置及び前記第２弁装置のいずれが故障しているのかを判定する故障判定工程を行う、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
12. 請求項１１記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記故障判定工程によって前記第２弁装置が故障していると判定された場合に前記循環ポンプの駆動を停止するポンプ停止工程を行う、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記故障検知工程によって前記弁装置の故障が検知された場合に、前記燃料電池の発電量を制限する発電量制限工程を行う、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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