JP2018097995A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムが備える二次電池の診断に係るユーザの利便性低下を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、補機と、補機の動作を制御する補機制御部と、二次電池と、二次電池が供給する電流量を測定する電流センサと、二次電池の放電電圧を測定する電圧センサと、二次電池を診断する診断制御部と、を備え、補機制御部は、燃料電池が電力を出力しない出力停止状態において二次電池から供給される電力により補機を駆動して、燃料電池にガスを供給して残水掃気処理を実行し、診断制御部は、残水掃気処理の実行による補機への電力供給に伴う放電により変化する二次電池の放電電圧のうち、予め定められた電圧範囲における二次電池が供給する電流量を積算して電流積算値を求め、該電流積算値を用いて、二次電池を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を備える燃料電池システムに関する。
燃料電池システムにおいて、反応ガスの供給に用いられる補機、例えばエアコンプレッサや水素ガス循環用ポンプ等への電力供給を目的として、二次電池が設けられる場合がある。二次電池は、経年劣化して放電容量が低下するため、定期的に診断する必要がある。二次電池の診断方法として、補機等に放電させつつ、放電電圧が低下する際の所定の電圧範囲における放電電流の積算値を求め、かかる電流積算値に基づいて容量劣化の程度を診断する方法が提案されている（下記特許文献１参照）。
特開２０１３−１５０４１７号公報
しかし、従来の二次電池の診断方法を実行する場合、長時間、例えばおよそ１時間程度かかる場合がある。したがって、例えば、燃料電池システムが車両に搭載されて車両の駆動用電力を供給する構成では、かかる車両をサービス工場に持ち込んでおよそ１時間程度の作業を行う場合もあり、利用者にとって非常に不便であった。また、土地や建物に固定設置されて用いられる燃料電池システムにおいても、およそ１時間程度システムを停止させて診断作業が行われる場合もあり、利用者にとって不便であった。このため、燃料電池システムが備える二次電池の診断に係るユーザの利便性低下を抑制可能な技術が望まれている。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。
（１）本発明の一形態によれば、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、燃料電池と；前記燃料電池にガスを供給するために用いられる補機と；前記補機の動作を制御する補機制御部と；二次電池と；前記二次電池が供給する電流量を測定する電流センサと；前記二次電池の放電電圧を測定する電圧センサと；前記二次電池を診断する診断制御部と；を備え；前記補機制御部は、前記燃料電池が電力を出力しない出力停止状態において、前記二次電池から供給される電力により前記補機を駆動して、前記燃料電池に前記ガスを供給して残水掃気処理を実行し；前記診断制御部は、前記残水掃気処理の実行による前記補機への電力供給に伴う放電により変化する前記二次電池の放電電圧のうち、予め定められた電圧範囲における前記二次電池が供給する電流量を積算して電流積算値を求め、該電流積算値を用いて、前記二次電池を診断する。
この形態の燃料電池システムによれば、診断制御部は、出力停止状態おける残水掃気処理の実行による補機への電力供給に伴う放電により変化する二次電池の放電電圧のうち、予め定められた電圧範囲において二次電池が供給する電流量を積算して電流積算値を求め、該電流積算値を用いて、二次電池を診断するので、二次電池の診断のみを目的として二次電池の放電の実行を避けることができ、例えば、サービス工場に燃料電池システムを持ち込んで診断を行ったり、二次電池診断のためにわざわざ燃料電池を出力停止状態にしたりせず済み、ユーザの利便性低下を抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記二次電池が供給する電流量の積算値を記憶する記憶部を更に備え；前記診断制御部は；前記二次電池による前記電圧範囲での放電が完了する前に、前記残水掃気処理が完了した場合に、前記残水掃気処理の開始から前記残水掃気処理の完了時までに前記二次電池が供給した電流量の積算値を、前記記憶部に記憶させることと；前記残水掃気処理の次回実行時に、前記記憶部に記憶されている前記積算値に対して、前記二次電池が供給する電流量を積算することと；を前記電圧範囲での前記二次電池の放電が完了するまで繰り返して、前記電流積算値を求めてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、予め定められた電圧範囲での放電が完了する前に残水掃気処理が完了した場合に、残水掃気処理の開始から残水掃気処理の完了時までに二次電池が供給した電流量の積算値を、記憶部に記憶させ、残水掃気処理の次回実行時に、記憶部に記憶されている積算値に対して、二次電池が供給する電流量を積算することを繰り返し実行するので、予め定められた電圧範囲での放電が完了する前に残水掃気処理が完了した場合であっても、その後実行される１回以上の残水掃気処理により予め定められた電圧範囲において二次電池が供給する電流量の積算を完了させることができる。このため、二次電池の診断に必要な電流積算値を求めることができ、二次電池を精度良く診断できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガスは、酸化剤ガスとしての空気を含み；前記補機は、前記空気を供給するエアコンプレッサを含んでもよい。この形態の燃料電池システムによれば、一般に消費電力が多いエアコンプレッサへの電力供給（放電）に伴う電流積算値を求めるので、二次電池の診断に必要な電流積算値を短時間で取得できる。加えて、燃料電池のカソード側の残水掃気処理を行う際に、二次電池の診断も同時に行うことができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガスは、燃料ガスとしての水素ガスを含み；水素ガスを貯蔵するタンクと；前記タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給するアノードガス供給路と；前記燃料電池から前記水素ガスを含むオフガスを排出するアノードオフガス排出路と；前記アノードオフガス排出路と前記アノードガス供給路とを接続するバイパス流路と；前記バイパス流路に配置され、前記アノードオフガス排出路に排出されたオフガスを前記アノードガス供給路に供給するポンプと；を更に備え；前記補機は、前記ポンプを含んでもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池のアノード側の残水掃気処理を行う際に、二次電池の診断も同時に行うことができる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記診断制御部は、前記二次電池の劣化が許容範囲の下限である場合の前記電流積算値である閾値積算値と、前記電流積算値とを比較して、前記電流積算値が前記閾値積算値よりも低い場合に、前記二次電池が劣化していると判断してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の劣化が許容範囲の下限である場合の電流積算値である閾値積算値と、電流積算値とを比較して、電流積算値が閾値積算値よりも低い場合に、二次電池が劣化していると判断されるので、二次電池の劣化の有無を精度良く判定できる。
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記診断制御部は、前記残水掃気処理の開始時における前記二次電池の放電電圧が、前記電圧範囲の上限値よりも低いか否かを判定し、低いと判定した場合には、前記電流積算値を求めることと前記二次電池の診断とを実行せず、低くないと判定した場合には、前記電流積算値を求めることと前記二次電池の診断とを実行してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、予め定められた電圧範囲において二次電池が供給する電流量を積算することができない場合には、電流積算値を求めることと二次電池の診断とを行わず、予め定められた電圧範囲における二次電池が供給する電流量を積算することができる場合に、電流積算値を求めることと二次電池の診断とを行うので、無駄な処理の実行を抑制できると共に、二次電池の診断を精度良く実行できる。
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、二次電池診断システム、二次電池診断方法、燃料電池システムの運転方法等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 駐車時残水掃気処理の手順を示すフローチャートである。 補機始動制御処理の手順を示すフローチャートである。 二次電池診断処理の手順を示すフローチャートである。 電流値積算を開始してからの電流積算値の変化を示す説明図である。
Ａ．実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、車両に搭載され、図示しない車両駆動用モータに電力を供給する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、アノード側反応ガス供給排出機構２０と、カソード側反応ガス供給排出機構３０と、二次電池５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、第１昇圧コンバータ４２と、インバータ４３と、第２昇圧コンバータ４４と、電圧センサ６１と、電流センサ６２と、診断制御部７１と、補機制御部７２と、始動制御部７３と、記憶部８０と、第１直流導線９１と、第２直流導線９２と、第３直流導線９３と、第４直流導線９４と、第５直流導線９５と、第６直流導線９６とを備える。
燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスと空気の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、複数の単セルが積層された構成を有する。なお、固体高分子形燃料電池に限らず、リン酸形燃料電池や固体酸化物形燃料電池など、任意の種類の燃料電池を用いてもよい。燃料電池１０は、第１直流導線９１を介して第１昇圧コンバータ４２の入力端子に接続されている。
アノード側反応ガス供給排出機構２０は、燃料電池１０に対して燃料ガスとしての水素ガスを供給すると共に、燃料電池１０からアノードオフガスを排出する。アノード側反応ガス供給排出機構２０は、タンク２１と、アノードガス供給路２２と、アノードオフガス排出路２３と、バイパス流路２４と、気液分離装置２５と、循環ポンプ２６とを備える。
タンク２１は、水素ガスを貯蔵する。アノードガス供給路２２は、タンク２１と燃料電池１０とを接続し、タンク２１から燃料電池１０に水素ガスを供給する。なお、アノードガス供給路２２には、図示しないシャットバルブおよびインジェクタが設けられている。アノードオフガス排出路２３は、燃料電池１０内に設けられた図示しないアノードオフガス排出マニホールドに接続され、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをアノードオフガス排出路２３に導く。バイパス流路２４は、一端が気液分離装置２５に接続され、他端がアノードガス供給路２２に接続され、気液分離装置２５から排出される水素ガスを、アノードガス供給路２２に供給する。気液分離装置２５は、アノードオフガス排出路２３を介して供給されるアノードオフガスに含まれる水と水素ガスとを分離し、水素ガスをバイパス流路２４に排出する。気液分離装置２５は、また、後述するカソードオフガス排出路にも接続されており、分離して得られた水をカソードオフガス排出路に供給する。循環ポンプ２６は、バイパス流路２４に設けられ、気液分離装置２５から排出される水素ガスをアノードガス供給路２２に供給する。これにより、燃料電池１０に供給された水素ガスのうち、燃料電池１０で消費されなかった水素ガスが、再び燃料電池１０に供給されることとなる。
カソード側反応ガス供給排出機構３０は、燃料電池１０に対して酸化剤ガス（カソードガス）としての空気を供給すると共に、燃料電池１０からカソードオフガスを排出する。カソード側反応ガス供給排出機構３０は、エアコンプレッサ３１と、カソードガス供給路３２と、カソードオフガス排出路３３とを備える。エアコンプレッサ３１は、大気から空気を取り入れ圧縮してカソードガス供給路３２へと供給する。カソードガス供給路３２は、燃料電池１０内に設けられた図示しないカソードガス供給マニホールドに接続され、燃料電池１０に空気を供給する。カソードオフガス排出路３３は、燃料電池１０内に設けられた図示しないカソードオフガス排出マニホールドに接続され、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスを外部に排出する。上述のように、カソードオフガス排出路３３は、気液分離装置２５にも接続され、気液分離装置２５からカソードオフガス排出路３３に排出される水を、カソードオフガスの勢いによって外部へと排出する。また、カソードオフガス排出路３３は、気液分離装置２５からカソードオフガス排出路３３へと排出される若干量の水素ガスを、カソードオフガスにより希釈して外部へと排出する。
二次電池５０は、本実施形態では、リチウムイオン電池により構成されており、エアコンプレッサ３１および循環ポンプ２６や、図示しないラジエータファン等の補機に電力を供給する。二次電池５０の放電容量は、経時劣化により低減する。したがって、供給電力量を一定として電力を供給した場合、１回の充電により電力を供給可能な時間が、経年変化により短くなる。本実施形態では、二次電池５０の放電容量の劣化を、二次電池５０の劣化とも呼ぶ。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、第５直流導線９５を介して二次電池５０に電気的に接続され、また、第６直流導線９６を介して循環ポンプ２６に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、二次電池５０から入力される電圧を、循環ポンプ２６に適した所定の電圧に変換して出力する。
第１昇圧コンバータ４２は、第１直流導線９１を介して燃料電池１０に電気的に接続され、また、第２直流導線９２を介してインバータ４３に電気的に接続されている。第１昇圧コンバータ４２は、燃料電池１０から入力される電圧を目標電圧まで昇圧して、インバータ４３に出力する。インバータ４３は、第１昇圧コンバータ４２および第２昇圧コンバータ４４から出力される直流電圧を、三相交流電圧に変換してエアコンプレッサ３１および図示しない車両駆動用モータに供給する。なお、燃料電池１０が電力を出力しない状態（以下、「出力停止状態」と呼ぶ）においては、エアコンプレッサ３１に対して二次電池５０から電力が供給される。したがって、この場合、インバータ４３は、第２昇圧コンバータ４４のみから出力される直流電圧を、三相交流電圧に変換してエアコンプレッサ３１に供給する。インバータ４３は、燃料電池１０の出力電力が、車両駆動用モータへの目標出力電力に対して不足する場合には、二次電池５０を放電させて不足分の電力を補う。また、インバータ４３は、車両駆動用モータにおいて発生する回生電力を直流電力に変換して、第３直流導線９３を介して第２昇圧コンバータ４４へと出力する。第２昇圧コンバータ４４は、第４直流導線９４を介して二次電池５０に電気的に接続され、また、第３直流導線９３を介してインバータ４３に電気的に接続されている。第２昇圧コンバータ４４は、二次電池５０から入力される電圧を目標電圧まで昇圧して、インバータ４３に出力する。また、インバータ４３から第３直流導線９３を介して供給される回生電力の電圧を降圧して、第４直流導線９４を介して二次電池５０に出力する。
電圧センサ６１は、第４直流導線９４に設置され、二次電池５０の放電電圧を測定する。同様に、電流センサ６２は、第４直流導線９４に設置され、二次電池５０が供給する電流量を測定する。電圧センサ６１および電流センサ６２は、診断制御部７１に電気的に接続されており、各測定値（電圧値および電流値）を、診断制御部７１に通知する。
診断制御部７１は、二次電池５０の診断を行う。より具体的には、診断制御部７１は、後述する二次電池診断処理を実行して、二次電池５０の放電容量の劣化の有無を診断する。補機制御部７２は、循環ポンプ２６およびエアコンプレッサ３１に電気的に接続され、循環ポンプ２６およびエアコンプレッサ３１の駆動および停止を制御する。また、補機制御部７２は、診断制御部７１および始動制御部７３に電気的に接続されている。補機制御部７２は、後述する駐車時残水掃気処理を実行する。始動制御部７３は、タイマ７４を備え、補機始動制御処理を実行する。タイマ７４には、予め定められた時間が設定されており、タイマの始動からかかる時間の満了まで計時する。タイマ７４に設定されている時間は、任意の時間であってもよい。後述するように、この設定された時間ごとにアノード側およびカソード側の残水掃気が実行されるため、例えば、夜間に１回残水掃気を実行することを想定して、８時間に設定してもよい。上述の診断制御部７１、補機制御部７２、および始動制御部７３は、いずれもマイクロプロセッサおよびメモリを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成され、いずれも二次電池５０から供給される電力により駆動する。始動制御部７３は、診断制御部７１および補機制御部７２への電力供給を制御する。記憶部８０は、診断制御部７１と電気的に接続され、後述する二次電池診断処理において、電流積算値を記憶する場合がある。なお、記憶部８０を、診断制御部７１が備えるメモリとして構成してもよい。本実施形態において、タイマ７４は、ソフトウェアタイマにより構成されているが、ソフトウェアタイマに代えて、ハードウェアタイマにより構成してもよい。
燃料電池システム１００は、上述のアノード側反応ガス供給排出機構２０およびカソード側反応ガス供給排出機構３０に加えて、図示しない冷却媒体供給排出機構を備える。この冷却媒体供給排出機構は、燃料電池１０の温度を調整するための機構であり、燃料電池１０に対して冷却媒体、例えば、冷却水を供給し、また、燃料電池１０から冷却媒体を排出し、排出された冷却媒体と熱交換を行った後の冷却媒体を、再び燃料電池１０に供給する。このような冷却媒体機構として、例えば、燃料電池１０に接続される冷却媒体供給路および冷却媒体排出路と、ラジエータと、ラジエータファンと、循環ポンプなどを備える機構を用いてもよい。
上述の構成を有する燃料電池システム１００では、車両が停止し、シフトノブがパーキング（Ｐ）となり、始動スイッチがオフの状態となると、燃料電池１０は出力停止状態となる。この出力停止状態において、後述の駐車時残水掃気処理が実行されることにより、燃料電池１０の内部や、アノード側の反応ガスおよびオフガスの流路や、カソード側の反応ガスおよびオフガスの流路等に留まっている水が定期的に外部へと排出される。これは、燃料電池１０の内部および各流路等に留まっている水が凍結して、ガス拡散性が低下したり、図示しない各種弁の開閉が制御できなくなったりすることの抑制を目的としている。燃料電池システム１００では、駐車時残水掃気処理が実行されているときに、後述の二次電池診断処理を実行することにより、二次電池５０の診断に係るユーザの利便性の低下を抑制する。
ここで、後述の駐車時残水掃気処理および二次電池診断処理と、後述の補機始動制御処理との関係について、簡単に説明する。駐車時残水掃気処理において、補機制御部７２は、循環ポンプ２６およびエアコンプレッサ３１等の補機を駆動して、燃料電池１０に反応ガスを供給して残水掃気を実行する。しかし、車両が停車し、シフトノブがパーキング（Ｐ）となり、始動スイッチがオフの状態となると、補機制御部７２への電力供給が停止される。他方、この状態においても始動制御部７３には電力供給が行われている。そして、始動制御部７３は、補機始動制御処理を実行することにより、補機制御部７２に対して定期的に電力を供給する。これにより、補機制御部７２は、定期的に駐車時残水掃気処理を実行することができる。診断制御部７１への電力供給は、補機制御部７２への電力供給と同様に、車両が停車し、シフトノブがパーキング（Ｐ）となり、始動スイッチがオフの状態となると停止される。しかし、上述の補機制御部７２と同様に、始動制御部７３による補機始動制御処理によって、診断制御部７１に対して定期的に電力が供給される。これにより、診断制御部７１は、定期的に二次電池診断処理を実行することができる。
Ａ２．駐車時残水掃気処理：
図２は、駐車時残水掃気処理の手順を示すフローチャートである。後述する補機始動制御処理の結果、補機制御部７２への電力供給が開始されると、駐車時残水掃気処理が開始される。
補機制御部７２は、掃気開始を診断制御部７１に通知する（ステップＳ１０５）。補機制御部７２は、アノード側掃気を実行する（ステップＳ１１０）。具体的には、補機制御部７２は、アノードオフガス排出路２３に設けられた図示しないパージ弁を開き、循環ポンプ２６および図示しないインジェクタにより所定量の水素ガスを所定時間だけ燃料電池１０に供給することにより、アノード側掃気を実行する。このとき、循環ポンプ２６には、二次電池５０から電力が供給される。このように、燃料電池１０に水素ガスが供給されることにより、燃料電池システム１００におけるアノード側に溜まった水が外部へと排出される。「燃料電池システム１００におけるアノード側に溜まった水」とは、とは、各単セルにおけるアノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層に形成されている細孔内に溜まっている水と、燃料電池１０内のアノードガス供給マニホールドおよびアノードガス排出マニホールドに溜まっている水と、アノードガス供給路２２内に溜まっている水と、アノードオフガス排出路２３内に溜まっている水と、気液分離装置２５に溜まっている水と、バイパス流路２４内に溜まっている水と、循環ポンプ２６に溜まっている水等を含み得る。これらの水は、各単セルにおいてカソード側から電解質膜を透過した水（逆拡散水）と、雰囲気内に含まれる水蒸気が凝縮して生じた液体の水とを含み得る。
補機制御部７２は、カソード側掃気を実行する（ステップＳ１１５）。具体的には、補機制御部７２は、エアコンプレッサ３１を駆動させて燃料電池１０に所定量の空気を所定時間だけ供給すると共に、カソードオフガス排出路３３に設けられた図示しない背圧弁の開度を調整して、燃料電池システム１００からカソードオフガスを排出させる。このとき、エアコンプレッサ３１には、二次電池５０からの電力が供給される。このように燃料電池１０に空気が供給されることにより、燃料電池システム１００におけるカソード側に溜まった水が外部へと排出される。「燃料電池システム１００におけるカソード側に溜まった水」とは、各単セルにおけるカソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層に形成されている細孔内に溜まっている水と、燃料電池１０内のカソードガス供給マニホールドおよびカソードガス排出マニホールドに溜まっている水と、カソードガス供給路３２内に溜まっている水と、カソードオフガス排出路３３に溜まっている水等を含み得る。これらの水は、各単セルのカソード側における電気化学反応により生じた生成水と、カソード側の雰囲気内に含まれる水蒸気が凝縮して生じた液体の水とを含み得る。
カソード側掃気（ステップＳ１１５）が終了すると、補機制御部７２は、掃気終了通知を、診断制御部７１および始動制御部７３に送信し（ステップＳ１２０）、駐車時残水掃気処理は終了する。
Ａ３．補機始動制御処理：
図３は、補機始動制御処理の手順を示すフローチャートである。車両が停車し、シフトノブがパーキング（Ｐ）となり、始動スイッチがオフの状態となると、始動制御部７３は、上述の駐車時残水掃気処理および後述の二次電池診断処理を定期的に実行させるために、補機始動制御処理を実行する。なお、車両が停車し、シフトノブがパーキング（Ｐ）となり、始動スイッチがオフの状態となったタイミングで、タイマ７４が始動される。
始動制御部７３は、タイマ７４が満了するまで待機し（ステップＳ２０５）、タイマが満了すると（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、診断制御部７１および補機制御部７２への給電を開始する（ステップＳ２１０）。その後、始動制御部７３は、補機制御部７２から掃気終了通知を受信するまで待機し（ステップＳ２１５）。掃気終了通知を受信すると（ステップＳ２１５：ＹＥＳ）、始動制御部７３を再び始動させ（ステップＳ２２０）、ステップＳ２０５に戻る。このような補機始動制御処理により、予めタイマに設定されている時間毎に補機制御部７２に電力が供給され、駐車時残水掃気処理が実行されることとなる。また、予めタイマに設定されている時間毎に診断制御部７１に電力が供給され、後述の二次電池診断処理が実行されることとなる。
Ａ４．二次電池診断処理：
診断制御部７１は、駐車時（出力停止状態）における自身への電力供給を契機として、二次電池診断処理を実行する。先ず、この二次電池５０の診断方法を概略的に説明する。二次電池５０が放電を行うと放電電圧は次第に低下する。このとき、所定の放電電圧の範囲（以下、単に「所定電圧範囲」と呼ぶ）において二次電池５０から供給される電流値を積算し、かかる電流値の積算値（以下、「電流積算値」と呼ぶ）を用いて二次電池の放電容量の劣化の有無を診断する。経時劣化により放電容量が低下すると所定電圧範囲内における電流積算値は低下するため、求めた電流積算値が或る閾値積算値よりも低い場合に、二次電池５０が劣化していると判断する。ここで、本実施形態では、上述の所定電圧範囲の上限値は、いわゆる満充電状態での電圧値に設定されている。また、所定電圧範囲の下限値は、かかる電圧値まで低下した状態において車両の始動スイッチがオンされた場合でも、補機類に必要な電力を供給でき、車両が走行可能となるような電圧値に設定されている。
図４は、二次電池診断処理の手順を示すフローチャートである。二次電池診断処理が開始されると、先ず、診断制御部７１は、補機制御部７２から掃気開始通知を受信するまで待機し（ステップＳ３０５）、掃気開始通知を受信すると（ステップＳ３０５：ＹＥＳ）、電流センサ６２の較正を行う（ステップＳ３１０）。具体的には、第４直流導線９４に電流が流れていない状態における電流測定値を複数回取得し、かかる測定値の平均値だけシフトさせてゼロ点とする処理（いわゆるゼロ点補正）を行う。この電流センサ６２の較正は、図２に示すステップＳ１０５とステップＳ１１０との間の時間で実行される。
診断制御部７１は、診断実行可能な状態か否かを判定する（ステップＳ３１５）。上述のように、二次電池５０の診断は、所定電圧範囲での電流積算値を求めるため、そもそも二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値よりも低い場合には、所定電圧範囲での電流積算値を求めることができない。したがって、診断制御部７１は、電圧センサ６１の測定値、すなわち、二次電池５０の放電電圧が所定電圧の上限値よりも低い場合、診断実行可能な状態ではないと判定し（ステップＳ３１５：ＮＯ）、二次電池診断処理は終了する。なお、このとき、「診断実行可能ではない状態である」との情報を、履歴として記憶部８０に記憶させてから、二次電池診断処理を終了してもよい。これに対して、二次電池５０の放電電圧が所定電圧の上限値以上である場合、診断制御部７１は、診断実行可能な状態であると判定し（ステップＳ３１５：ＹＥＳ）、続いて、前回の診断が中断したか否かを判定する（ステップＳ３２０）。
二次電池５０の放電電圧は、駐車時掃気処理においてエアコンプレッサ３１および循環ポンプ２６等への電力供給に伴い低下する。しかしながら、所定電圧範囲の下限に達するまでに駐車時掃気処理が完了した場合、エアコンプレッサ３１および循環ポンプ２６への電力供給が停止するために、電流積算値は、所定電圧範囲の下限に達しなくなる。この場合、後述するように二次電池診断処理は中断し、記憶部８０に中断した旨が記憶される。そこで、ステップＳ３２０では、かかる中断した旨が記憶部８０に記憶されているか否かを確認することで、前回の診断が中断したかが判定される。
前回の診断が中断していないと判定された場合（ステップＳ３２０：ＮＯ）、診断制御部７１は、電流センサ６２により測定された電流値の積算を開始する（ステップＳ３３０）。診断制御部７１は、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の下限値に達したか否かを判定する（ステップＳ３３５）。二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の下限値に達したと判定された場合（ステップＳ３３５：ＹＥＳ）、診断制御部７１は、電流値の積算を終了し（ステップＳ３４０）、電流積算値を記憶部８０に記憶させる（ステップＳ３４５）。駐車時残水掃気処理では、所定の補機類は予め定められた時間だけ駆動される。ステップＳ３４０が実行される場合、補機類が停止するよりも前に二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の下限値に達している。診断制御部７１は、記憶部８０に記憶された電流積算値を用いて、二次電池５０の放電容量の劣化の有無を判定し（ステップＳ３５０）、二次電池診断処理は終了する。ステップＳ３５０における劣化の有無の判定の詳細を、図５を用いて説明する。
図５は、電流値積算を開始してからの電流積算値の変化を示す説明図である。図５において、横軸は電流値積算を開始してからの経過時間を示し、縦軸は電流積算値を示す。また、図５において直線Ｌ１は、二次電池５０の放電容量の劣化が許容範囲内である場合の電流積算値の変化を示し、直線Ｌ２は、二次電池５０の放電容量の劣化が許容範囲を下回った場合の電流積算値の変化を示す。図５では、時刻Ｔ０に電流積算値が開始され、時刻Ｔ１に電流積算値が終了した場合の電流積算値の変化を示している。なお、駐車時残水掃気処理における補機の消費電力は一定である。このため、放電電圧の低下速度はほぼ一定である。このため、放電電圧の変化（低下）と時間経過とは、ほぼ比例関係にある。二次電池５０の放電容量の劣化の許容範囲とは、燃料電池システム１００の動作に不具合が生じない程度の放電容量の低下度合いを意味し、実験により求めることができる。
二次電池５０の放電容量の劣化の有無に関わらず、電流積算値は時間の経過と共に次第に増加する。しかし、劣化が許容範囲を下回っている場合には、直線Ｌ２に示すように、直線Ｌ１に比べて同じ時刻における電流積算値は低い。したがって、時刻Ｔ１における劣化が許容範囲を下回っている場合の電流積算値ＳＩ２は、劣化が許容範囲内である場合の電流積算値ＳＩ１に比べて低い。本実施形態では、二次電池５０の劣化の許容範囲の下限に相当する電流積算値を、予め実験等により求めて閾値積算値ＳＩｔとして設定しておく。そして、ステップＳ３５０では、ステップＳ３３０〜Ｓ３４０で得られた電流積算値が閾値積算値ＳＩｔよりも低い場合に、二次電池５０の放電容量の劣化が有ると判定し、閾値積算値ＳＩｔ以上の場合に、二次電池５０の放電容量の劣化が無いと判定する。
上述のステップＳ３３５において、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の下限値に達していないと判定された場合（ステップＳ３３５：ＮＯ）、図４に示すように、診断制御部７１は、補機制御部７２から掃気終了通知を受領したか否かを判定する（ステップＳ３５５）。掃気終了通知を受領していないと判定された場合（ステップＳ３５５：ＮＯ）、上述のステップＳ３３５に戻る。
これに対して、掃気終了通知を受領したと判定された場合（ステップＳ３５５：ＹＥＳ）、診断制御部７１は、電流値の積算を終了し（ステップＳ３６０）、電流積算値と共に診断が中断した旨を記憶部８０に記憶させ（ステップＳ３６５）、二次電池診断処理は終了する。なお、このステップＳ３６５で記憶部８０に記憶される電流積算値は、所定電圧範囲よりも狭い電圧範囲で放電電圧が変化した場合の放電電流の積算値である。本実施形態では、ステップＳ３６５で記憶部８０に記憶される電流積算値を、中断積算値と呼ぶ。
ステップＳ３６５が実行されて二次電池診断処理が終了した場合、二次電池５０の放電容量の劣化の有無は判定されない。これは、二次電池５０の放電電圧が所定電圧の下限に達するよりも前に駐車時残水掃気処理が終了してしまい、これ以上二次電池５０の放電が行われないため、電流積算値として、診断に必要な値が取得できないためである。しかし、本実施形態では、次回の駐車時残水掃気処理が開始され、それに伴って次回の二次電池診断処理が開始された場合、上述のステップＳ３２０において、前回の診断が中断したと判定される（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）。この場合、診断制御部７１は、記憶部８０から中断積算値を取得し（ステップＳ３２５）、その後上述のステップＳ３３０からの手順が実行される。ステップＳ３２５が実行された場合、診断制御部７１は、測定された電流値を中断積算値に積算する。例えば、出力停止状態において、第１回目の駐車時残水掃気処理が実行され、放電電圧が所定電圧範囲の下限値に達する前に駐車残水掃気処理が終了し、その後、出力停止状態が継続したまま所定時間が経過して、第２回目の駐車時残水掃気処理が実行された場合を想定してみる。この場合、第１回目の駐車時残水掃気処理の終了後に二次電池５０への充電は行われていないため、第２回目の駐車時残水掃気処理の開始時の二次電池５０の放電電圧は、第１回目の駐車時残水掃気処理の終了時の二次電池５０の放電電圧と略一致する。したがって、中断積算値に対して電流値を積算し、二次電池５０の放電電圧が所定電圧の下限値に達した場合には、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値から下限値まで低下する間の放電電流の積算値が取得されることとなる。したがって、かかる値を用いて二次電池５０の放電容量の劣化の有無を精度良く判定することができる。
なお、診断が中断した後、次回に二次電池診断処理が実行された場合のステップＳ３１５では、診断制御部７１は、記憶部８０に診断が中断した旨が記憶されていることを確認の上、二次電池５０の放電電圧が所定電圧の上限値よりも低い場合であっても、診断実行可能な状態であると判定する。
上述の二次電池診断処理の結果、すなわち、二次電池５０の劣化の有無は、例えば、以下のように利用してもよい。車両のインストルメントパネルに備えられた所定のＬＥＤランプ等を点灯または点滅させることにより、二次電池５０の劣化を利用者に報知してもよい。また、スピーカを利用して音声により二次電池５０の劣化を報知してもよい。また、報知する内容は、二次電池５０が劣化して旨に限らず、例えば、サービス工場に向かうことを促す旨や、車両の停止を促す旨等であってもよい。
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、診断制御部７１は、出力停止状態における残水掃気処理の実行による補機（循環ポンプ２６およびエアコンプレッサ３１等）への電力供給に伴う放電により変化する二次電池５０の放電電圧のうち、所定電圧範囲において二次電池５０が供給する電流量を積算して電流積算値を求め、かかる電流積算値を用いて、二次電池５０を診断するので、二次電池５０の診断のみを目的として二次電池５０の放電の実行を避けることができ、例えば、サービス工場に車両（燃料電池システム１００）を持ち込んで診断を行ったり、二次電池診断のために、わざわざ燃料電池１０を出力停止状態にしたりせず済み、ユーザの利便性低下を抑制できる。
また、所定電圧範囲での放電が完了する前に駐車時残水掃気処理が完了した場合に、駐車時残水掃気処理の開始から完了時までの中断積算値を、記憶部８０に記憶させ、駐車時残水掃気処理の次回実行時に、記憶部８０に記憶されている中断積算値に対して、二次電池５０の供給電流量を積算するので、所定電圧範囲での放電が完了する前に駐車時残水掃気処理が完了した場合であっても、その後実行される１回以上の残水掃気処理により所定電圧範囲において二次電池５０が供給する電流量の積算を完了させることができる。このため、二次電池５０の診断に必要な電流積算値を求めることができ、二次電池５０を精度良く診断できる。
また、一般に消費電力が多いエアコンプレッサ３１への電力供給（放電）に伴う電流積算値を求めるので、二次電池５０の診断に必要な電流積算値を短時間で取得できる。また、二次電池５０の劣化が許容範囲の下限である場合の電流積算値である閾値積算値ＳＩｔと、電流積算値とを比較して、電流積算値が閾値積算値ＳＩｔよりも低い場合に、二次電池５０が劣化していると判断されるので、二次電池５０の劣化の有無を精度良く判定できる。
また、電流値の積算を開始する時点における二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値よりも低い場合、すなわち、所定電圧範囲において二次電池５０が供給する電流量を積算することができない場合には、電流積算値を求めることと二次電池５０の診断とを行わず、所定電圧範囲において二次電池が供給する電流量を積算することができる場合に、電流積算値を求めることと二次電池の診断とを行うので、無駄な処理の実行を抑制できると共に、二次電池の診断を精度良く実行できる。
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、駐車時残水掃気処理において、アノード側掃気の後にカソード側掃気が実行されていたが、この順序は逆であってもよい。また、駐車時残水掃気処理において、アノード側とカソード側とがいずれも残水掃気されていたが、いずれか一方のみが残水掃気されてもよい。例えば、カソード側のみが残水掃気される構成であれば、燃料電池１０のカソード側の残水掃気を行う際に、二次電池５０の診断も同時に行うことができる。また、アノード側のみが残水掃気される構成であれば、燃料電池１０のアノード側の残水掃気を行う際に、二次電池５０の診断も同時に行うことができる。したがって、上記実施形態と同様な効果を奏する。また、例えば、始動スイッチがオフされるタイミングで残水掃気が実行されている場合には、駐車時残水掃気処理においてアノード側のみが掃気され、かかるタイミングで残水掃気処理が実行されていない場合には、駐車時残水掃気処理においてアノード側とカソード側とのいずれも残水掃気されてもよい。
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、駐車時残水掃気処理は、出力停止状態において定期的に実行されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、定期的に燃料電池１０の温度や外気温を測定し、測定温度が所定温度、例えば、０℃を中心とした所定温度範囲内の温度よりも低い場合に、駐車時残水掃気処理を実行してもよい。また、例えば、直前の所定期間（例えば３日間）の平均最低温度が０℃以下である場合に、駐車時残水掃気処理を実行してもよい。
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の下限値に達する前に駐車時残水掃気処理が終了した場合、次回の二次電池診断処理では、前回の中断積算値に対して電流値を積算していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、診断が中断した場合には、中断積算値を記憶部８０に記憶させず、次回以降に二次電池診断処理が実行される場合には、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値以上となるまで、診断（電流値の積算）を実行しない構成としてもよい。このような構成であっても、その後、燃料電池システム１００が始動して、二次電池５０が充電された場合に、放電電圧が所定電圧範囲の上限値を上回り得る。したがって、その後に出力停止状態となったら、二次電池診断処理において、電流積算値を正しく求めることができる。
Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、電流積算値と閾値積算値ＳＩｔとを比較して、電流積算値が閾値積算値ＳＩｔよりも低い場合に二次電池５０が劣化していると判定していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示す直線の傾きを求めてかかる傾きが所定の大きさよりも小さくなった場合に、二次電池５０が劣化していると判定してもよい。直線の傾きは、例えば、電流値積算中における２つの時刻の電流積算値を記憶しておき、かかる電流積算値に基づき求めることができる。また、劣化の有無の判定に代えて、劣化の度合いを特定してもよい。この構成においては、劣化の度合いを特定することが二次電池５０の診断に相当する。
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値よりも低い場合、診断実行可能な状態ではないと判定し（ステップＳ３１５：ＮＯ）、二次電池診断処理は終了していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ステップＳ３１５を省略して、常に電流値を積算する構成としてもよい。所定電圧範囲として、上限値が比較的低い電圧である範囲を設定することで、電流値の積算を開始する時点における二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値を上回る可能性を高めることができる。したがって、この場合、ステップＳ３１５を省略しても構わない。但し、上記実施形態の構成とすることで、所定電圧範囲を広い電圧範囲に設定することができ、二次電池５０の劣化の診断のためにより信頼性の高い電流積算値を求めることができる。
Ｂ６．変形例６：
上記実施形態のステップＳ３１５では、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値よりも低い場合に、診断実行可能な状態ではないと判定していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、二次電池５０の放電電圧が所定電圧範囲の上限値よりも低い場合に加えて、車両のシフトレバーが、パーキング以外のモード、例えば、ドライブ（Ｄ）や、バック（Ｒ）など、燃料電池システム１００がオンしている状態に対応するモードである場合にも、診断実行可能な状態ではないと判定してもよい。
Ｂ７．変形例７：
上記実施形態では、駐車時残水掃気処理に用いられるガスは、反応ガス（水素ガスおよび空気）であったが、反応ガスに代えて、または、反応ガスに加えて、他のガスを用いてもよい。例えば、残水掃気用の専用のガスを燃料電池１０に対して供給すると共にそのオフガスを排出するための機能を設けた上で、かかる専用のガスを用いて残水掃気を行なってもよい。このような専用のガスとして、例えば、窒素ガスを用いてもよい。
Ｂ８．変形例８：
上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
本発明は、上述の実施形態および変形例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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又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。
１０…燃料電池
２０…アノード側反応ガス供給排出機構
２１…タンク
２２…アノードガス供給路
２３…アノードオフガス排出路
２４…バイパス流路
２５…気液分離装置
２６…循環ポンプ
３０…カソード側反応ガス供給排出機構
３１…エアコンプレッサ
３２…カソードガス供給路
３３…カソードオフガス排出路
４１…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４２…第１昇圧コンバータ
４３…インバータ
４４…第２昇圧コンバータ
５０…二次電池
６１…電圧センサ
６２…電流センサ
７１…診断制御部
７２…補機制御部
７３…始動制御部
７４…タイマ
８０…記憶部
９１…第１直流導線
９２…第２直流導線
９３…第３直流導線
９４…第４直流導線
９５…第５直流導線
９６…第６直流導線
１００…燃料電池システム
Ｌ１，Ｌ２…直線
ＳＩ１，ＳＩ２…電流積算値
ＳＩｔ…閾値積算値
Ｔ０…時刻
Ｔ１…時刻

Claims (7)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池にガスを供給するために用いられる補機と、
    前記補機の動作を制御する補機制御部と、
    二次電池と、
    前記二次電池が供給する電流量を測定する電流センサと、
    前記二次電池の放電電圧を測定する電圧センサと、
    前記二次電池を診断する診断制御部と、
    を備え、
    前記補機制御部は、前記燃料電池が電力を出力しない出力停止状態において、前記二次電池から供給される電力により前記補機を駆動して、前記燃料電池に前記ガスを供給して残水掃気処理を実行し、
    前記診断制御部は、前記残水掃気処理の実行による前記補機への電力供給に伴う放電により変化する前記二次電池の放電電圧のうち、予め定められた電圧範囲における前記二次電池が供給する電流量を積算して電流積算値を求め、該電流積算値を用いて、前記二次電池を診断する、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記二次電池が供給する電流量の積算値を記憶する記憶部を更に備え、
    前記診断制御部は、
    前記二次電池による前記電圧範囲での放電が完了する前に、前記残水掃気処理が完了した場合に、前記残水掃気処理の開始から前記残水掃気処理の完了時までに前記二次電池が供給した電流量の積算値を、前記記憶部に記憶させることと、
    前記残水掃気処理の次回実行時に、前記記憶部に記憶されている前記積算値に対して、前記二次電池が供給する電流量を積算することと、
    を前記電圧範囲での前記二次電池の放電が完了するまで繰り返して、前記電流積算値を求める、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記ガスは、酸化剤ガスとしての空気を含み、
    前記補機は、エアコンプレッサを含む、
    燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記ガスは、燃料ガスとしての水素ガスを含み、
    水素ガスを貯蔵するタンクと、
    前記タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給するアノードガス供給路と、
    前記燃料電池から前記水素ガスを含むオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    前記アノードオフガス排出路と前記アノードガス供給路とを接続するバイパス流路と、
    前記バイパス流路に配置され、前記アノードオフガス排出路に排出されたオフガスを前記アノードガス供給路に供給するポンプと、
    を更に備え、
    前記補機は、前記ポンプを含む、
    燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記診断制御部は、前記二次電池の劣化が許容範囲の下限である場合の前記電流積算値である閾値積算値と、前記電流積算値とを比較して、前記電流積算値が前記閾値積算値よりも低い場合に、前記二次電池が劣化していると判断する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記診断制御部は、前記残水掃気処理の開始時における前記二次電池の放電電圧が、前記電圧範囲の上限値よりも低いか否かを判定し、低いと判定した場合には、前記電流積算値を求めることと前記二次電池の診断とを実行せず、低くないと判定した場合には、前記電流積算値を求めることと前記二次電池の診断とを実行する、
    燃料電池システム。
  7. 燃料電池にガスを供給する補機に対して電力を供給する二次電池を診断する二次電池診断方法であって、
    （ａ）前記燃料電池が電力を出力しない出力停止状態において、前記二次電池から供給される電力により前記補機を駆動させ、前記燃料電池に前記ガスを供給して残水掃気処理を実行する工程と、
    （ｂ）前記残水掃気処理の実行による前記補機への電力供給に伴う放電により変化する前記二次電池の放電電圧のうち、予め定められた電圧範囲における前記二次電池が供給する電流量を積算して電流積算値を求める工程と、
    （ｃ）前記電流積算値を用いて、前記二次電池を診断する工程と、
    を備える、二次電池診断方法。
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