JP4363475B2

JP4363475B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4363475B2
Application number: JP2007254615A
Authority: JP
Inventors: 哲也坊農
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: DE112008002494T5; US20100261078A1; WO2009041271A1; CN101809794A; DE112008002494B4; US8541142B2; JP2009087652A; CN101809794B; DE112008002494B8

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックに酸化ガス、あるいは、燃料ガスを供給あるいは排出するための流路に、それぞれ弁を設けた燃料電池システムに関する。

燃料電池に燃料ガス、あるいは酸化ガスを供給し、また、燃料電池からそれらのガスを排出するための流路に、それぞれ弁が設けられている。これらの弁の開故障を検出するために、例えば、特許文献１には、燃料電池に接続される燃料ガス供給配管に配置した第一開閉弁と、燃料ガスの流れ方向に沿って第一開閉弁の下流側に配置した第二開閉弁と、第一開閉弁と第二開閉弁との間の燃料ガスの圧力を検出する第一圧力センサと、燃料電池停止時に、第一開閉弁を閉じてから第二開閉弁を閉じる停止時開閉弁操作部と、燃料電池停止時の少なくとも第一圧力センサの出力を記憶する停止時圧力記憶部と、燃料電池停止後の運転再開時の第一圧力センサの出力と、停止時圧力記憶部に記憶した燃料電池停止時の第一圧力センサの出力と、を比較して、第一開閉弁および第二開閉弁の少なくとも一方が故障しているかどうかを判断する故障診断部と、を備えたものが開示されている。ここでは、第一開閉弁と第二開閉弁によって区画された容積部の圧力の値が大きい値へと変化している場合には第一開閉弁が故障していると判断し、小さい値へと変化している場合には第二開閉弁が故障していると判断されることが述べられている。

特開２００４−９５４２５号公報

上記のように、特許文献１の構成を用いることで、燃料ガス供給配管に配置した第一開閉弁あるいは第二開閉弁の開故障を検出することができる。しかし、特許文献１の構成を用いるには、それぞれの開閉弁によって区画された容積部の圧力差を生じさせるために、燃料電池停止時に第一開閉弁を閉じてから第二開閉弁を閉じる操作を行う必要がある等操作に制約があるため不便である。また、燃料ガスタンク内の圧力がもともと小さい場合には、上記のような開閉弁を閉じる操作を行っても圧力差が小さいため開故障を検出できない場合があり、特許文献１の構成を適用できる範囲が狭い。

本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、より簡単に、流路に設けられた弁の作動不良を検出することができる燃料電池システムを提供することである。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックに酸化ガスを供給する流路に設けられる酸化ガス供給弁と、燃料電池スタックから酸化ガスを排出する流路に設けられる酸化ガス排出弁と、酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁との間の流路であって、燃料電池スタック内の酸化ガス流路を含む流路の圧力であるカソード圧力値を検知する圧力検知部と、燃料電池スタックの運転を停止したときに酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁とを閉じる停止処理部と、燃料電池スタックの運転を停止したときの停止時カソード圧力値と、その後に燃料電池スタックを起動したときの起動時カソード圧力値に基づいて、酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁の作動不良判定を行う判定部と、を備え、判定部は、燃料電池スタックの運転を停止したときから、その後に燃料電池スタックを起動したときまでの時間が、燃料ガスと、酸化ガスの中の残存する酸素とが反応することでカソード圧力値が下がる期間と、その後酸化ガスの中の残存する酸素が無くなり燃料ガスの存在によってカソード圧力値が一時的に上昇する期間と、その後酸化ガスの中の残存する窒素が減少したことによってカソード圧力値が下がる期間を経過した時間以上である場合に作動不良判定を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、判定部は、停止時カソード圧力値から起動時カソード圧力値を引いた値が予め定められた閾値以下のときに酸化ガス供給弁または酸化ガス排出弁の少なくともいずれか１つが作動不良であると判定することが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、燃料電池スタックの運転を停止したときの停止時カソード圧力値と、その後に燃料電池スタックを起動したときの起動時カソード圧力値に基づいて、酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁の作動不良判定を行う判定部を有する。したがって、より簡単に酸化ガスが流れる流路に設けられた弁の作動不良を検出することができる。

また、判定部は、停止時カソード圧力値から起動時カソード圧力値を引いた値が予め定められた閾値以下のときに酸化ガス供給弁または酸化ガス排出弁の少なくともいずれか１つが作動不良であると判定する。したがって、より簡単に酸化ガスが流れる流路に設けられた弁の作動不良を検出することができる。

上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、燃料電池スタックの運転を停止したときの停止時アノード圧力値と、その後に燃料電池スタックを起動したときの起動時アノード圧力値に基づいて、燃料ガス供給弁と燃料ガス排出弁の作動不良判定を行う判定部を有する。したがって、より簡単に燃料ガスが流れる流路に設けられた弁の作動不良を検出することができる。

また、判定部は、停止時アノード圧力値から起動時アノード圧力値を引いた値が予め定められた閾値以下のときに燃料ガス供給弁または燃料ガス排出弁の少なくともいずれか１つが作動不良であると判定する。したがって、より簡単に燃料ガスが流れる流路に設けられた弁の作動不良を検出することができる。

また、判定部は、燃料電池スタックの運転を停止したときから、その後に燃料電池スタックを起動したときまでの時間が予め定められた所定時間以上である場合に作動不良判定を行う。したがって、カソード圧力値、あるいは、アノード圧力値が十分に下がった状態で作動不良判定することができるため、より正確に流路に設けられた弁の作動不良を検出することができる。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお、以下では、燃料電池システムにおいて、気体圧を利用して制御が行われるシャット弁を燃料電池のカソード側の流路に設けられるものとして説明するが、アノード側の流路に設けられるものであってもよい。また、以下では、燃料電池システムにおいて、それぞれの流路に設けられる弁について、気体圧を利用して制御が行われるシャット弁として説明するが、その他の弁、例えば、電気的に制御が行われる電磁弁であってもよい。

図１は、燃料電池システム１０の構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池本体部２０と制御部３０とを含んで構成される。燃料電池システム１０は、燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタック２２と、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。

燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個積層することで組電池としたものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。

アノード側の燃料ガスタンク２６は、水素ガス源であって、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。燃料ガスタンク２６に接続されるレギュレータ４６は、水素ガス源である燃料ガスタンク２６からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ４６の出力口に設けられるアノード圧力計測器２１は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ４６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。

燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器４７は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ４８を通して希釈器２８に流すためのものである。また、分流器４７の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器４９は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタを通してからエアコンプレッサ（ＡＣＰ）４２に供給される。ＡＣＰ４２は、モータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。

加湿器２４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有する。加湿器２４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排出される。燃料電池スタック２２は燃料電池反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器２４に戻されることで酸化ガスを適度に湿らせることができる。

酸化ガス排出側流路３９において燃料電池スタック２２の出口のあとに設けられる圧力計はカソード圧力計測器２３と呼ぶことができる。カソード圧力計測器２３は、後述する酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４との間の流路の圧力を検出する圧力検知部である。

カソード圧力計測器２３の後に設けられる調圧弁４５は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する。調圧弁４５の出力口は、上記の加湿器２４に接続されるので、調圧弁４５を出たガスは加湿器２４に水蒸気を供給した後に、希釈器２８に入り、その後外部に排出される。

希釈器２８は、アノード側の排気バルブ４８からの不純物ガスと水分とが混じっている水素、及び、カソード側からＭＥＡを通して漏れてくる水分混じり水素を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。

酸化ガス供給側流路３７において、加湿器２４と燃料電池スタック２２の間に設けられ接続される酸化ガス供給シャット弁３２は、通常は開状態で、燃料電池スタック２２の運転が停止したとき等に閉状態とされる開閉弁である。燃料電池スタック２２の運転が停止したときに酸化ガス供給側流路３７を閉じて酸化ガスの供給を止めるのは、燃料電池スタック２２に含まれる触媒層等の酸化を抑制する等のためである。

また、酸化ガス排出側流路３９において、燃料電池スタック２２と加湿器２４との間、具体的には、調圧弁４５と加湿器２４との間に設けられ接続される酸化ガス排出シャット弁３４は、酸化ガス供給シャット弁３２と同様に、通常は開状態で、燃料電池システム１０の運転が停止したとき等に閉状態とされる開閉弁である。

また、酸化ガス供給側流路３７において、加湿器２４を迂回するように、酸化ガス供給シャット弁３２を経由する流路と並列に酸化ガス加湿器バイパス流路３５が設けられる。この酸化ガス加湿器バイパス流路３５に配置され接続される酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６は、通常は閉状態で、必要なときに開状態とされる開閉弁である。

酸化ガス供給シャット弁３２、酸化ガス排出シャット弁３４、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６は、前者２つが通常は開状態であり、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６が通常は閉状態であることが相違するが、ほぼ同じ構造である。酸化ガス供給シャット弁３２、酸化ガス排出シャット弁３４、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６は、圧力室の内圧に応じて作動するピストン等の可動子を有する流体制御バルブである。

例えば、酸化ガス供給シャット弁３２の場合、内部でピストン等の可動子が進退する管路を有し、その管路の入口側が、加湿器２４側の酸化ガス供給側流路３７に接続され、その管路の出口側が、燃料電池スタック２２側の酸化ガス供給側流路３７に接続される。圧力室の内圧を変化させて可動子をその管路の中に進入させると、酸化ガス供給シャット弁３２の内部の管路が閉じるので、酸化ガスの流れが遮断される。このように、圧力室の内圧を制御して可動子の進退を行わせ、酸化ガス供給側流路３７における酸化ガスの流れを必要に応じて遮断、すなわちシャットすることができる。

電磁弁収納ボックス５０は、酸化ガス供給シャット弁３２、酸化ガス排出シャット弁３４、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６に対して、作動流体の供給を制御するための電磁弁７４，７６をひとまとめにして収容するボックスである。酸化ガス供給シャット弁３２、酸化ガス排出シャット弁３４、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６のそれぞれに対し、１つの三方弁である電磁弁７４と、２つの二方向弁である電磁弁７６とが用いられ、酸化ガス供給シャット弁３２、酸化ガス排出シャット弁３４、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６の圧力室の内圧を制御する。

経時計測装置１４０は、制御部３０と接続され、燃料電池スタック２２の運転を停止してから、その後に燃料電池スタック２２が再起動するまでに経過している時間を測定する計測装置である。例えば、経時計測装置１４０は、カウンタ回路等を用いて構成することができる。

制御指令取得部１５０は、制御部３０と接続され、外部によってもたらされる燃料電池スタック２２の起動指令や、燃料電池スタック２２の運転停止指令を取得する機能を有する。

報知装置１３０は、制御部３０と接続され、燃料電池システム１０における酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良（故障）をユーザ等に知らせる装置である。報知装置１３０は、運転席に設けられるステアリングハンドル付近に配置される。

制御部３０は、ＣＰＵ１００と記憶部１１０とを含んで構成される。制御部３０は、燃料電池本体部２０の運転全般の制御を行い、また、燃料電池本体部２０に設けられた弁の作動不良を判定する機能を有する。制御部３０は、燃料電池に適したコンピュータを用いて構成される。

ＣＰＵ１００は、ＦＣシステム制御指令取得モジュール１０１と、ＦＣシステム起動モジュール１０２と、ＦＣシステム運転モジュール１０３と、ＦＣシステム停止モジュール１０４と、カソード圧力測定モジュール１０６と、経時判定モジュール１０８と、作動不良判定モジュール１０９とを含んで構成される。これらの各機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には記憶部１１０に記憶されたシャット弁作動不良判定プログラムを実行することにより実現できる。また、かかる機能の一部あるいは全部をハードウェアで実現するものとしてもよい。記憶部１１０は、シャット弁作動不良判定プログラムが格納され、その他に必要な情報を記憶する記憶装置である。

ＦＣシステム制御指令取得モジュール１０１は、制御指令取得部１５０によって取得された指令が燃料電池スタック２２の起動指令であるか、あるいは、燃料電池スタック２２の運転停止指令であるかを判断する機能を有する。

ＦＣシステム起動モジュール１０２は、燃料電池スタック２２の起動指令を受けて、燃料電池スタック２２の起動制御を行う機能を有する。また、ＦＣシステム起動モジュール１０２は、燃料電池スタック２２の起動の際に酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４を開く制御を行う機能を有する。

ＦＣシステム運転モジュール１０３は、ＦＣシステム起動モジュール１０２によって燃料電池スタック２２の起動を行った後に、燃料電池スタック２２の運転制御を行う機能を有する。

ＦＣシステム停止モジュール１０４は、燃料電池スタック２２の運転停止指令を受けて、燃料電池スタック２２の運転を停止する制御を行う機能を有する。また、ＦＣシステム停止モジュール１０４は、燃料電池スタック２２の運転停止の際に、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４を閉じる制御を行う機能を有する。

カソード圧力測定モジュール１０６は、燃料電池スタック２２の停止の際に燃料電池スタック２２内の酸化ガス経路３８の圧力値をカソード圧力計測器２３によって計測し、その停止時カソード圧力値を記憶部１１０に記憶させる。また、カソード圧力測定モジュール１０６は、燃料電池スタック２２の運転を停止した後に、再び燃料電池スタック２２を起動する際にも酸化ガス経路３８の圧力値をカソード圧力計測器２３によって計測し、その起動時カソード圧力値を記憶部１１０に記憶させる。

経時判定モジュール１０８は、経時計測装置１４０によって計測された時間が後述する判定禁止時間内（例えば、燃料電池スタック２２の運転を停止してから２０分経過するまでの時間）にあるかを判断する機能を有する。

作動不良判定モジュール１０９は、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良を判定する機能を有する。具体的には、作動不良判定モジュール１０９は、燃料電池スタック２２の運転停止時の停止時カソード圧力値と、燃料電池スタック２２の再起動時の起動時カソード圧力値とについて、２つのカソード圧力値を記憶部１１０から取り出し、それらの２つのカソード圧力値を比較することで酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良を判定し、報知装置１３０を介してユーザ等に通知する。

図２は、縦軸にカソード圧力値、横軸に時間をとり、燃料電池スタック２２の運転の停止後のカソード圧力値の時間変化を示す図である。図２には、カソード圧力値の正常変化を示すカソード圧力特性曲線１２と、カソード圧力値の異常変化を示すカソード圧力特性曲線１４が示されている。ここで、燃料電池システム１０を停止する場合において、燃料電池スタック２２の運転が停止される際に、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４が閉じられる。この状態においては、燃料電池スタック２２への酸化ガスの供給を停止することができるが、燃料電池スタック２２には、まだ酸化ガス（酸素および窒素）が残存している。したがって、燃料電池スタック２２の運転停止の直後は、カソード圧力値が、図２に示されるような初期値となる。

一方のカソード圧力特性曲線１２は、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４に作動不良の１態様である開故障が存在せず、カソード圧力値が正常に時間変化している様子を示す曲線である。カソード圧力特性曲線１２におけるカソード圧力値の時間変化はａ期間、ｂ期間、ｃ期間に分けて説明することができる。次にａ期間、ｂ期間、ｃ期間のそれぞれについて詳細に説明する。ここで、開故障とは、流路に設けられた弁が閉じている必要がある場合に、開いたままの状態にあることをいう。なお、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６が開故障した場合にも、燃料電池スタック２２のカソード圧力値の時間変化が後述するカソード圧力特性曲線１４とほとんど同様の時間変化となるが、ここでは、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６に開故障がないものとする。また、以下では、特に断りのない限り作動不良は開故障として説明を行う。

ａ期間は、燃料電池スタック２２のアノード側に残存している水素がアノード側からカソード側に向けて透過し、その水素と燃料電池スタック２２のカソード側に残存している酸素が反応して、燃料電池スタック２２のカソード側における酸素が減少するためカソード圧力値が下がる。

ｂ期間は、燃料電池スタック２２のカソード側に残存している酸素がほとんど全て消費された後は、さらに燃料電池スタック２２のアノード側からカソード側に向けて透過してきた水素と反応することができる酸素がほとんど存在しないため、反応できない水素が存在することによってカソード圧力が一時的に上昇する。

ｃ期間は、燃料電池スタック２２のカソード側に残存する窒素は、水素に比べて透過速度が小さいため、ゆっくりとカソード側からアノード側に向けて透過していく。したがって、燃料電池スタック２２のカソード側の圧力は、窒素が減少したことによって圧力が下がる。

ここで、図２に示されるようにａ期間とｂ期間においては、カソード圧力が一旦下がった後に一時的に上昇している。したがって、この期間内に燃料電池スタック２２の再起動を行ってカソード圧力値を測定し、停止時カソード圧力値と起動時カソード圧力値の差を比較してしまうと酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良についての誤判定を行う可能性がある。このようなａ期間とｂ期間については、判定禁止時間（例えば、燃料電池スタック２２の運転の停止後から２０分以内の時間）と呼び、この判定禁止時間内に燃料電池スタック２２の起動があった場合には、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の判定を行わないとすることもできる。なお、ｃ期間に入った後であれば２つのカソード圧力値差が十分に確保できているため、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良判定について、誤判定を抑制することができる。また、好ましくは、誤判定をより少なくするための十分な時間として、例えば、燃料電池スタック２２の運転を停止した後から２時間以上経過した後以降（図２におけるｄ期間）に、燃料電池スタック２２の起動があった場合に判定を行うことが好ましい。

もう一方のカソード圧力特性曲線１４は、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の少なくともいずれか１つに作動不良が存在しており、カソード圧力値が正常に時間変化していない様子を示す曲線である。カソード圧力特性曲線１４は、燃料電池スタック２２のアノード側に残存している水素が、アノード側からカソード側に向けて透過し、その水素と燃料電池スタック２２のカソード側に残存している酸素が反応して、燃料電池スタック２２のカソード側における酸素が減少する。しかし、作動不良となっている酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の少なくともいずれか１つから新たに酸化ガスが供給されるためカソード圧力値がほとんど変化しない状態が継続していくこととなる。

上記構成の作用について図面を用いて説明する。図３は、燃料電池システム１０において流路に設けられた酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良の判定を行う各手順を示すフローチャートである。各手順は、シャット弁作動不良判定プログラムの各処理の手順に対応する。なお、図１、図２の符号を用いて説明を行う。

シャット弁作動不良判定プログラムを起動すると、まず、制御指令取得部１５０によって取得された指令が燃料電池スタック２２の運転を停止する指令であるか否かを判断する（Ｓ１０）。燃料電池スタック２２の運転停止指令でないと判断すれば、予め定められた時間を経過させた後に再びＳ１０に戻る。この機能は、ＣＰＵ１００のＦＣシステム制御指令取得モジュール１０１の機能によって実行される。

燃料電池スタック２２の運転停止指令であると判断すれば、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４を閉じる制御が行われる（Ｓ１２）。この機能は、ＣＰＵ１００のＦＣシステム停止モジュール１０４の機能によって実行される。そして、Ｓ１２からＳ１４へ進む。

次に、燃料電池スタック２２の停止時において、燃料電池スタック２２内の酸化ガス経路３８の圧力値をカソード圧力計測器２３によって計測し、その停止時カソード圧力値を記憶部１１０に記憶する（Ｓ１４）。この機能は、ＣＰＵ１００のカソード圧力測定モジュール１０６の機能によって実行される。そして、Ｓ１４からＳ１６へ進む。

制御指令取得部１５０によって取得された指令が燃料電池スタック２２を起動する指令であるか否かを判断する（Ｓ１６）。燃料電池スタック２２の起動指令でないと判断すれば、予め定められた時間を経過させた後に再びＳ１６に戻る。この機能は、ＣＰＵ１００のＦＣシステム制御指令取得モジュール１０１の機能によって実行される。

燃料電池スタック２２の起動指令であると判断すれば、経時計測装置１４０によって計測された時間が判定禁止時間を超えているか否かを判断する（Ｓ１８）。判定禁止時間を超えていないと判断する場合には、プログラムの終了処理となるＥＮＤ処理へと進む。判定禁止時間を超えていると判断する場合には、次にＳ２０へ進む。この機能は、ＣＰＵ１００の経時判定モジュール１０８の機能によって実行される。

燃料電池スタック２２の起動時において、燃料電池スタック２２内の酸化ガス経路３８の圧力値をカソード圧力計測器２３によって計測し、その起動時カソード圧力値を記憶部１１０に記憶する（Ｓ２０）。この機能は、ＣＰＵ１００のカソード圧力測定モジュール１０６の機能によって実行される。そして、Ｓ２０からＳ２２へと進む。

燃料電池スタック２２の運転停止時の停止時カソード圧力値から燃料電池スタック２２の再起動時の起動時カソード圧力値を引いた値が１０ｋＰａ以下であるか否かを判定する（Ｓ２２）。２つのカソード圧力値の差が１０ｋＰａ以下である場合には、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４において、酸化ガス供給シャット弁３２、酸化ガス排出シャット弁３４のうち少なくともいずれか１つが作動不良であると判断し、報知装置１３０を介して、酸化ガス供給シャット弁３２または酸化ガス排出シャット弁３４のうち少なくともいずれか１つが作動不良である旨の通知をユーザに対して行う（Ｓ２４）。２つのカソード圧力値の差が１０ｋＰａ以上である場合には、プログラムの終了処理であるＥＮＤ処理へと進む。この機能は、ＣＰＵ１００の作動不良判定モジュール１０９によって実行される。

したがって、上記のように、燃料電池スタック２２の運転の停止時の停止時カソード圧力値から燃料電池スタック２２の再起動時の起動時カソード圧力値を引いた値が予め定められた閾値（ここでは１０ｋＰａ）以下となるか否かを判断することによって、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良を検出し、その結果をユーザに通知することができる。また、上記の説明においては、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６に作動不良がないものとして説明した。しかし、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６が作動不良となった場合にも上記で説明したように、カソード圧力値はカソード圧力特性曲線１４のような時間変化を示すことから、燃料電池スタック２２の運転停止時の停止時カソード圧力値から燃料電池スタック２２の再起動時の起動時カソード圧力値を引いた値が予め定められた閾値以下となる。したがって、酸化ガス加湿器バイパスシャット弁３６の作動不良を検出することも可能である。

また、上記のように、２つのカソード圧力値の差が閾値以下であると一度判定された場合にすぐに作動不良と判定するのではなく、燃料電池スタック２２の運転停止と起動を繰り返し、数回の作動不良判定が行われる中で作動不良であると判定されるごとに図示されないカウンタ回路をインクリメントしていくこともできる。そして、そのカウンタ回路の値が予め設定された値（例えば１０回）に到達した場合に本来の作動不良と判定して、報知装置１３０を介して、ユーザに酸化ガス供給シャット弁３２または酸化ガス排出シャット弁３４の少なくともいずれか１つの作動不良を通知することもできる。また、カウンタ回路がインクリメントされていく過程において、圧力値の差が閾値以上となる、つまり作動不良でない判定が数回続いた場合に、酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良はなかったものとしてカウンタ回路のカウント値をクリアすることもできる。このような構成を用いることで、より正確に酸化ガス供給シャット弁３２と酸化ガス排出シャット弁３４の作動不良を検出し、その結果をユーザに通知することができる。

本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す図である。縦軸にカソード圧力値、横軸に時間をとり、燃料電池スタックの運転の停止後のカソード圧力値の時間変化を示す図である。燃料電池システムにおいて流路に設けられた酸化ガス供給シャット弁と酸化ガス排出シャット弁の作動不良の判定を行う各手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム、１２，１４カソード圧力特性曲線、２０燃料電池本体部、２１アノード圧力計測器、２２燃料電池スタック、２３カソード圧力計測器、２４加湿器、２６燃料ガスタンク、２８希釈器、３０制御部、３２酸化ガス供給シャット弁、３４酸化ガス排出シャット弁、３５酸化ガス加湿器バイパス流路、３６酸化ガス加湿器バイパスシャット弁、３７酸化ガス供給側流路、３８酸化ガス経路、３９酸化ガス排出側流路、４０酸化ガス源、４５調圧弁、４６レギュレータ、４７分流器、４８排気バルブ、４９循環昇圧器、５０電磁弁収納ボックス、７４，７６電磁弁、１０１ＦＣシステム制御指令取得モジュール、１０２ＦＣシステム起動モジュール、１０３ＦＣシステム運転モジュール、１０４ＦＣシステム停止モジュール、１０６カソード圧力測定モジュール、１０８経時判定モジュール、１０９作動不良判定モジュール、１１０記憶部、１３０報知装置、１４０経時計測装置、１５０制御指令取得部。

Claims

燃料電池スタックに大気である酸化ガスを供給する流路に設けられる酸化ガス供給弁と、
燃料電池スタックから酸化ガスを排出する流路に設けられる酸化ガス排出弁と、
酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁との間の流路であって、燃料電池スタック内の酸化ガス流路を含む流路の圧力であるカソード圧力値を検知する圧力検知部と、
燃料電池スタックの運転を停止したときに酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁とを閉じる停止処理部と、
燃料電池スタックの運転を停止したときの停止時カソード圧力値と、その後に燃料電池スタックを起動したときの起動時カソード圧力値に基づいて、酸化ガス供給弁と酸化ガス排出弁の作動不良判定を行う判定部と、
を備え、
判定部は、燃料電池スタックの運転を停止したときから、その後に燃料電池スタックを起動したときまでの時間が、燃料ガスと、酸化ガスの中の残存する酸素とが反応することでカソード圧力値が下がる期間と、その後酸化ガスの中の残存する酸素が無くなり燃料ガスの存在によってカソード圧力値が一時的に上昇する期間と、その後酸化ガスの中の残存する窒素が減少したことによってカソード圧力値が下がる期間を経過した時間以上である場合に作動不良判定を行うことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
判定部は、停止時カソード圧力値から起動時カソード圧力値を引いた値が予め定められた閾値以下のときに酸化ガス供給弁または酸化ガス排出弁の少なくともいずれか１つが作動不良であると判定することを特徴とする燃料電池システム。