JP4847724B2

JP4847724B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4847724B2
Application number: JP2005216797A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣松本; 健一郎上田; 千大和氣
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: JP2007035436A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池を安定的に起動させることができる燃料電池システムに関する。

例えば、燃料電池電気自動車などに搭載される固体高分子型の燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んだ単セルを複数積層した構造を有し、アノード極に水素が、カソード極に空気（酸素）がそれぞれ供給されることで発電する。ところが、この種の燃料電池では、長時間発電が停止すると、カソード極に供給された空気に含まれる窒素が固体高分子電解質膜を透過してアノード極に混入する。このような窒素が、燃料電池の起動時にアノード極に存在していると、電圧が上昇し難くなるので、安定した起動が得られなくなる。このため、燃料電池の起動時には、アノード極内に残留している窒素などの不純物を排出させる処理が行われている。例えば、特許文献１では、燃料電池の起動時に、アノード極の出口側に設けられたパージバルブを開弁してガス置換を行い、電圧を所定値まで上昇させてから発電を開始させることが行われている。
特開平１１−９７０４７号公報（図２）

しかしながら、従来のこのような制御では、パージバルブが全く開かないとかまたは開き具合が十分でないといった故障が発生した場合に、セルの電圧が所望の電圧まで上昇せず、発電を開始できなくなるといった問題がある。また、パージバルブが故障した状態で、発電を継続したとしても、安定した発電特性が得られないという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、パージバルブが故障した場合でも燃料電池を安定的に起動させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、アノード極に水素が、カソード極に空気がそれぞれ供給されることにより発電を行う燃料電池と、前記アノード極の上流側に接続されて水素が流通する水素供給路と、前記アノード極の下流側に接続されて水素オフガスが流通する水素排出路と、前記水素供給路に水素を供給する水素供給手段と、前記水素排出路から水素オフガスを排出させる第１のバルブと、前記水素排出路から水素オフガスを排出させる第２のバルブと、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブの下流に接続され、前記第１のバルブまたは前記第２のバルブから排出された水素オフガスを、前記カソード極から排出された空気オフガスで希釈する希釈器と、を備え、前記燃料電池の発電停止時に、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブを閉じて、前記水素供給路および前記水素排出路を密閉する燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電開始時、前記水素供給手段から前記水素を供給するとともに前記第１のバルブを開いて前記水素供給路および前記水素排出路を水素に置換しつつ、前記希釈器において前記第１のバルブから排出された水素オフガス中の水素を空気オフガスで希釈処理する第１のガス置換手段と、前記第２バルブを開いて前記水素供給路および前記水素排出路を水素に置換する第２のガス置換手段と、前記燃料電池の電圧を検知する電圧センサと、前記燃料電池の電圧が所定電圧を超える場合に発電開始条件が成立していると判断し、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下である場合に発電開始条件が成立していないと判断する発電開始判断手段と、前記発電開始判断手段が前記発電開始条件は成立していないと判断した場合、前記第１のバルブが故障しているか否かを判断する故障判断手段と、をさらに備え、前記故障判断手段が前記第１のバルブは故障していないと判断した場合、前記第１のガス置換手段は、前記希釈処理を継続し、当該希釈処理の継続中に前記発電開始判断手段が発電開始条件が成立したと判断した場合、発電許可指令を出力し、前記故障判断手段が前記第１のバルブは故障していると判断した場合、前記第２のガス置換手段は、前記第１のガス置換手段が前記第１のバルブを閉じてから前記希釈処理が完了となる第１所定時間の経過を待たずに、前記第２のバルブを開き、当該第２のバルブが開いている間において前記発電開始判断手段が発電開始条件が成立したと判断した場合、発電許可指令を出力することを特徴とする。
なお、水素供給路は、後記する実施形態のアノードガス供給配管２ａに相当し、水素排出路は後記する実施形態のアノードガス排出配管２ｂに相当し、水素供給手段は後記する実施形態の高圧水素タンク２１に相当する。また、第１所定時間は、後記する実施形態の図６および図７の符号「Ｔ３」に相当する。また、水素オフガスは、後記する実施形態のアノードオフガスに相当し、空気オフガスは、後記する実施形態のカソードオフガスに相当する。

本発明によれば、燃料電池の起動時に、第１のバルブが故障したとしても、第２のバルブを開弁して、反応ガスによるガス置換を行うことが可能になる。

また、前記燃料電池のアノード極側の圧力であるアノード圧力を検出する圧力センサを備え、前記故障判断手段は、前記アノード圧力の挙動に基づいて前記第１のバルブの故障を判断することを特徴とする。

また、前記水素排出路に設けられ、水素オフガス中の水分を分離する気液分離器を備え、前記第２のバルブの上流側は前記気液分離器に接続されており、前記第２のバルブは、前記燃料電池の通常発電中、分離した水分を前記希釈器に排出することを特徴とする。

また、前記故障判断手段は、前記第１のバルブを開弁してから前記水素供給路および前記水素排出路が、安定した発電性能を得ることができる水素に置換されるのに必要な第２所定時間が経過して前記第１のバルブを閉じた後、前記第１のバルブが故障しているか否かを判断することを特徴とする。なお、第２所定時間は、後記する実施形態での所定時間Ｔ１に相当する。

また、前記第２所定時間は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池の発電停止時間および前記第２所定時間が予め関係付けられたマップに基づいて決定され、前記マップは、前記燃料電池の温度が高くなるにつれて、前記発電停止時間が長くなるにつれて、前記所定時間が長くなるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数のバルブを設けることで、一方のバルブが故障した場合でも燃料電池を安定的に起動させることができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は燃料電池の起動処理を示すフローチャート、図３はスタック温度とパージ要求量との関係を示すマップ、図４は起動パージ中に発電許可が成立する場合のタイムチャート、図５は起動パージ後に発電許可が成立する場合のタイムチャート、図６は希釈中に発電許可が成立する場合のタイムチャート、図７は希釈後に強制的に発電許可が成立する場合のタイムチャート、図８はパージバルブ故障判断時に発電許可が成立する場合のタイムチャートである。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム１を車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などに搭載したものでもよい。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、希釈器４、ＥＣＵ５などで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、固体高分子電解質膜１１を、触媒を含むアノード極１２およびカソード極１３とで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んだ単セルを、複数積層した構造を有している。このような構造の燃料電池ＦＣでは、アノード極１２に水素（反応ガス）が供給され、カソード極１３に空気（酸素）が供給されることにより発電が行われ、燃料電池ＦＣが発電した電力は、図示しない電圧制御器を介して走行モータや補機などの負荷に供給される。

前記アノード系２は、燃料電池ＦＣのアノード極１２に水素を供給し且つアノード極１２から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２ａ、アノードガス排出配管２ｂ、高圧水素タンク２１、遮断弁２２、水素循環系２３、パージバルブ２４、ドレインバルブ２５、気液分離器２６などで構成されている。

前記アノードガス供給配管２ａは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１に接続され、他端が高圧水素タンク２１に接続されている。前記アノードガス排出配管２ｂは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側ａ２に接続され、他端が希釈器４に接続されている。また、アノードガス排出配管２ｂは、その一部が、パージバルブ２４が設けられるパージ配管２ｂ１と、ドレインバルブ２５が設けられるドレイン配管２ｂ２となっている。

前記水素循環系２３は、エゼクタ２３ａとアノードガス循環配管２３ｂとで構成されている。エゼクタ２３ａは、アノードガス供給配管２ａに設けられ、アノードガス循環配管２３ｂの一端がエゼクタ２３ａに接続され、他端がアノードガス排出配管２ｂに設けられた後記する気液分離器２６を介して接続されている。

前記高圧水素タンク２１は、高純度の水素を、例えば３５ＭＰａ（３５０気圧）の非常に高い圧力で蓄積することができる容器である。前記遮断弁２２は、例えば、高圧水素タンク２１内に設けられるインタンク式の弁である。

前記パージバルブ２４およびドレインバルブ２５は、それぞれ遮断可能な弁で構成されている。前記パージ配管２ｂ１は、その上流側の一端がアノードガス循環配管２３ｂの途中に接続され、下流側の他端がドレインバルブ２５の下流側に接続されている。前記ドレイン配管２ｂ２は、その上流側の一端が気液分離器２６と接続され、下流側の他端がパージ配管２ｂ１と合流するようにして接続されている。

前記気液分離器２６は、図示していないが、例えば分離プレートを備えたタンクで構成され、燃料電池ＦＣのアノード極１２から排出されたアノードオフガス中の水分を分離し、アノードガス循環配管２３ｂに水分が除かれたアノードオフガスを流通させ、ドレイン配管２ｂ２に水分を流通させるものである。

なお、前記したアノードガス供給配管２ａとアノードガス排出配管２ｂ（パージ配管２ｂ１およびドレイン配管２ｂ２を含む）とアノードガス循環配管２３ｂとで本実施形態の反応ガス流通路が構成されている。

前記カソード系３は、燃料電池ＦＣのカソード極１３に空気を供給し且つカソード極１３から空気を排出するものであり、カソードガス供給配管３ａ、カソードガス排出配管３ｂ、エアコンプレッサ３１などで構成されている。

前記カソードガス供給配管３ａは、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の入口側ｃ１に接続され、他端がエアコンプレッサ３１に接続されている。前記カソードガス排出配管３ｂは、その一端がカソード極１３の出口側ｃ２に接続され、他端が希釈器４に接続されている。前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどであり、ＥＣＵ５からの信号によりモータの回転速度が制御される。

なお、図示していないが、燃料電池システム１のアノード系２には、高圧水素タンク２１から供給される高圧の水素を所定圧力に減圧するためのレギュレータなどが設けられている。また、図示していないが、燃料電池システム１のカソード系３には、燃料電池ＦＣに供給する空気を加湿するための加湿器、カソード極１３側の圧力を所定の圧力に制御するための背圧弁などが設けられている。また、燃料電池システム１には、燃料電池ＦＣが発電により発生した熱を大気中に放出するための冷却系（図示せず）が設けられている。

前記希釈器４は、前記したアノードガス排出配管２ｂおよびカソードガス排出配管３ｂと接続され、アノードガス排出配管２ｂを介して排出された水素や窒素などのガスが、カソードガス排出配管３ｂを介して排出されたカソードオフガス（空気＋生成水）によって、所定の水素濃度に希釈された後に大気中に排出するように構成されている。

前記ＥＣＵ５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、遮断弁２２、エアコンプレッサ３１のモータの回転出力、パージバルブ２４、ドレインバルブ２５の開閉動作などを制御する。また、ＥＣＵ５は、アノード極１２側の圧力（アノード圧力）を検知する圧力センサＳ１、燃料電池ＦＣのスタック電圧を検知する電圧センサＳ２、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）６などと電気的に接続されている。なお、スタック電圧とは、燃料電池ＦＣから得られる総電圧を意味している。ただし、総電圧に替えてセル電圧を検出して制御してもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１における起動制御について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図２に示すように、運転者により車両のイグニッションスイッチ６がＯＮに切り替えられると（ステップＳ１）、ＥＣＵ５は、ステップＳ２で遮断弁２２を開弁して高圧水素タンク２１から燃料電池ＦＣのアノード極１２へ水素の供給を開始するとともに、エアコンプレッサ３１を駆動（ＯＮ）して燃料電池ＦＣのカソード極１３へ空気の供給を開始した後に、パージバルブ２４を開弁する。なお、遮断弁２２を開弁するタイミングとエアコンプレッサ３１をＯＮにするタイミングは、同時でなくてもよく、互いに前後して作動させてもよい。

なお、ステップＳ２では、燃料電池ＦＣからまだ負荷を引く（電力を取り出す）ように指示されていないが、アノード極１２に水素が、カソード極１３に空気がそれぞれ供給されて、アノード極１２内の窒素が水素に置換されるにしたがって触媒上で反応が開始されるので、その後、燃料電池のスタック電圧Ｖが上昇する。

そして、ステップＳ３において、ＥＣＵ５は、電圧センサＳ２から得られる燃料電池ＦＣのスタック電圧Ｖが所定電圧を超えているか否か（発電開始条件）を判断する。このときの所定電圧は、その後の発電継続が可能で、燃料電池ＦＣから走行モータや補機などの負荷を引いたときにシステムダウンを招かない程度の電圧値に設定される。ステップＳ３で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、ガス置換完了と判断できるので、ステップＳ１３で、発電許可指令を出力する。そして、ステップＳ１４で、開いているバルブ、つまりこの場合にはパージバルブ２４が開いているので、このパージバルブ２４を所定時間Ｔ１（後記するステップＳ５参照）開弁させた後に閉弁し、ステップＳ１５で、フラグをリセットして処理を終了する。

なお、ステップＳ３でスタック電圧Ｖが直ちに（ステップＳ４を経ずに）所定電圧を超えたと判断された場合には、所定時間Ｔ１の経過を待たずに直ちにパージバルブ２４を閉じるようにしてもよい。これにより、燃料電池ＦＣを迅速に起動できるようになる。

ステップＳ３で、ＥＣＵ５が、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４でフラグ判定を行う。なお、ステップＳ４の判断において、符号「０」は、「０」のフラグをたてるという意味であり、符号「１」は、「１」のフラグをたてるという意味であり、符号「２」は、「２」のフラグをたてるという意味である。また、このフラグ判定の初期値は、０（ゼロ）に設定されている。したがって、最初はステップＳ５に移行して、パージバルブ２４が所定時間Ｔ１開弁しているか否かを判断する。この所定時間は、例えば、図３に示すマップに基づいて決定されるものであり、燃料電池ＦＣの温度（スタック温度）が高くなるにつれて、また、発電停止時間が長くなるにつれて、パージ要求量が大きくなり、ステップＳ５の所定時間Ｔ１を長く設定する必要がある。ステップＳ５で、パージバルブ２４が所定時間Ｔ１開弁していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、所定時間Ｔ１が経過するまでステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の処理が繰り返される。この処理の途中で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えたと判断された場合には（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、ステップＳ１３で、燃料電池ＦＣから負荷の取り出しを開始する発電許可指令を出力する。そして、ステップＳ１４で、開いているバルブ、つまりこの場合にはパージバルブ２４が開いているので、このパージバルブ２４を所定時間Ｔ１開弁させた後に閉弁し、ステップＳ１５で、フラグをリセットする。

なお、パージバルブ２４が開弁している間は、燃料電池ＦＣのアノード極１２側に残留している窒素が水素とともにパージ配管２ｂ１を介して希釈器４に向けて押し出され、窒素を含む水素が希釈器４においてエアコンプレッサ３１からの空気（カソードオフガス）によって所定の水素濃度に希釈された後に、大気中に排出される。

また、所定時間Ｔ１は、水素で置換するのに必要な時間として設定されたものであるので、所定時間Ｔ１が経過する前に発電許可指令が出力されたとしても、所定時間Ｔ１が経過するのを待ってパージバルブ２４を閉弁することで、安定した発電性能を得るのに十分な水素濃度にガス置換することが可能になる。

ステップＳ５で、パージバルブ２４が所定時間Ｔ１開弁したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、ステップＳ６で、パージバルブ２４を閉じた後、ステップＳ７で、パージバルブ２４が故障しているか否かを判断する。このときのパージバルブ２４の故障判断基準としては、スタック電圧Ｖが所定の電圧閾値まで上昇しているか否かで判断できる。あるいは、アノード圧力の挙動、例えば、ステップＳ２でパージバルブ２４を開にしたにも拘わらず開になっていない場合にアノード圧力が上昇することから判断できる。

ステップＳ７で、パージバルブ２４が故障していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８で、フラグを「０」から「１」に変更し、ステップＳ９で、水素の希釈が完了したか否かを判断する。なお、水素希釈完了の判断は、例えば、パージバルブ２４を閉弁してから所定時間が経過したか否かで判断することができる。なお、所定時間は、後記する図６および図７の符号「Ｔ３」に相当するものであり、燃料電池システム１に応じて適宜設定することができる。ステップＳ９で水素希釈が完了していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えるまで、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ９の処理が繰り返される。この処理の途中でスタック電圧Ｖが所定電圧を超えた場合には（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５は、ステップＳ１３で発電許可指令を出力して、燃料電池ＦＣから負荷の取り出しを開始する。そして、ステップＳ１４において、開いているバルブ、つまりこの場合にはパージバルブ２４はすでに所定時間Ｔ１が経過して閉じているのでバルブを閉じる処理は行われず、ステップＳ１５においてフラグをリセットして処理を終了する。

ステップＳ９において、水素希釈が完了したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０で、フラグを「１」から「２」に切り替え、ステップＳ１１でドレインバルブ２５を開弁した後に、ステップＳ１２でドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁したか否かを判断する。なお、ここでの所定時間Ｔ２は、前記所定時間Ｔ１と同様な時間に設定してもよく、適宜変更することができる。このとき、ドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えるまで、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ１２の処理が繰り返される。この処理の途中で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えたと判断された場合には（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、ステップＳ１３で発電許可指令を出力する。そして、ステップＳ１４で、開いているバルブ、つまりこの場合にはドレインバルブ２５がまだ開いているので、所定時間Ｔ２経過するのを待ってドレインバルブ２５を閉弁し、ステップＳ１５でフラグをリセットする。

ステップＳ１２で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えることなく、ドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁したとＥＣＵ５が判断した場合には、ステップＳ１３で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えているいないに拘わらず強制的に発電許可指令を出力する。そして、ステップＳ１４で開いているバルブ、つまりこの場合にはすでにパージバルブ２４、ドレインバルブ２５のいずれも閉じているのでバルブを閉じる処理は行われず、ステップＳ１５でフラグをリセットして処理を終了する。

また、ステップＳ７において、前記したスタック電圧Ｖやアノード圧力の挙動に基づいてパージバルブ２４が故障していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０で、フラグを「０」から「２」に切り替える。つまり、パージバルブ２４が完全に開かないような閉故障の場合には、希釈器４には水素が流れ込んでいないと判断でき、あるいはパージバルブ２４が半分程度しか開かない半開故障の場合には、希釈器４には少量の水素しか流れ込んでいないと判断できるので、パージバルブ２４を閉じた後の水素希釈処理（ステップＳ８およびＳ９）を飛ばすことができる。このように、水素希釈処理を飛ばすことで、制御を簡略化することができる。

そして、ステップＳ１１でドレインバルブ２５を開弁し、ステップＳ１２でドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁しているか否かを判断して、所定時間Ｔ２開弁していないと判断された場合には（Ｎｏ）、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えるまでステップＳ３，Ｓ４，Ｓ１２の処理が繰り返される。この処理の途中で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えた場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理が実行される。

例えば、図４に示すように、時刻ｔ０でエアコンプレッサ３１をＯＮにするとともに遮断弁２２を開弁し、パージバルブ２４の開弁途中、すなわち、前記したステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５の処理の途中で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えた場合（時刻ｔ２）には、図４（ｆ）に示すように、時刻ｔ２で発電許可指令が出力される。発電許可指令後、所定時間Ｔ１の経過を待ってパージバルブ２４を閉弁する。

なお、前記ステップＳ２では、イグニッションスイッチ６をＯＮに切り替えると、遮断弁２２を開弁するとともにエアコンプレッサ３１を駆動することにより、燃料電池ＦＣのアノード極１２側の圧力（図４（ｂ）参照）が上昇するが、このアノード圧力が所定圧力に至ったときにパージバルブ２４を開くように制御する。このように、アノード圧力がある程度高まった後にパージバルブ２４を開くことにより、ガス置換を効率的に行うことができる。

また、図５に示すように、パージバルブ２４が所定時間Ｔ１開弁した後の水素希釈途中、すなわち、前記したステップＳ３、Ｓ４、Ｓ９の処理の途中で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えた場合（時刻ｔ４）には、この時刻ｔ４で発電許可指令が出力される。

また、図６に示すように、パージバルブ２４が所定時間Ｔ１開弁して、水素希釈処理が所定時間Ｔ３（時刻ｔ３〜ｔ５）実行され、さらにドレインバルブ２５が開弁している途中、すなわち、前記したステップＳ３、Ｓ４、Ｓ１２の処理の途中で、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えた場合（時刻ｔ６）には、この時刻ｔ６で発電許可指令を出力する。発電許可指令後、所定時間Ｔ２の経過を待ってドレインバルブ２５を閉弁する。

また、図７に示すように、パージバルブ２４が所定時間Ｔ１開弁して、水素希釈処理が所定時間Ｔ３（時刻ｔ２〜ｔ５）経過し、さらにドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁しても、すなわち、前記したステップＳ３、Ｓ４、Ｓ１２の処理の途中で依然としてスタック電圧Ｖが所定電圧を超えない場合には、所定時間Ｔ２が経過（時刻ｔ７）するのを待って強制的に発電許可指令を出力する。

また、ステップＳ７でパージバルブ２４が故障と判断された場合には、図８に示すように、水素希釈処理を飛ばして、ドレインバルブ２５が開弁している途中、すなわち、前記ステップＳ７のＹｅｓを経由して、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ１２の処理の途中でスタック電圧Ｖが所定電圧を超えた場合（時刻ｔ８）には、この時刻ｔ８で発電許可指令を出力する。例えば、パージバルブ２４が全く開かない完全閉故障の場合には、実線で示す時刻ｔ１〜ｔ２におけるアノード圧力（図８（ｂ）参照）の挙動（傾き）が、時刻ｔ０〜ｔ１のアノード圧力の傾きと同様な傾きで上昇することで故障と判断することができる。また、パージバルブ２４が半分しか開かないような半開故障の場合には、２点鎖線で示すように、前記完全閉故障の場合よりも小さな傾きで圧力が上昇することで故障と判断することができる。

また、タイムチャートで図示していないが、パージバルブ２４が故障と判断されて、ドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁してもなおスタック電圧Ｖが所定電圧を超えなかった場合には、ドレインバルブ２５が所定時間Ｔ２開弁したときに、強制的に発電許可指令を出力する。

以上説明したように、燃料電池ＦＣの起動時にパージバルブ２４が故障していると判断された場合であっても、ドレインバルブ２５を開いてアノード極１２を水素置換することで、燃料電池ＦＣを安定的に起動させることが可能になる。また、パージバルブ２４が開弁中にスタック電圧Ｖが所定電圧に至らない場合であっても、ドレインバルブ２５を開弁することで、発電を開始できなくなるといった不都合を防止することができる。

図９は参考例としての燃料電池システムでの起動処理を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは、単純にガス置換が完了したかを判断して発電を開始する制御である。

前記ステップＳ１およびステップＳ２と同様にして、運転者により車両のイグニッションスイッチ６がＯＮ状態にされ（ステップＳ２０）、遮断弁２２を開弁して高圧水素タンク２１から燃料電池ＦＣのアノード極１２へ水素の供給を開始し、エアコンプレッサ３１を駆動（ＯＮ）して燃料電池ＦＣのカソード極１３へ空気の供給を開始した後に、パージバルブ２４を開弁する（ステップＳ２１）。

そして、ＥＣＵ５は、ステップＳ２２において、パージバルブ２４が所定時間開弁したか否かを判断し、所定時間開弁していないと判断された場合には（Ｎｏ）、まだ起動パージ中であると判断してステップＳ２２の処理を繰り返し、所定時間開弁したと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２３でパージバルブ２４を閉じた後、ステップＳ２４でパージバルブ２４が故障しているか否かを判断する。なお、パージバルブ２４の故障判断基準としては、図２でのフローにおける説明と同様に、起動パージ中のアノード圧力やスタック電圧Ｖの挙動に基づいて判断できる。パージバルブ２４が故障していないと判断された場合には（ステップＳ２４，Ｎｏ）、ステップＳ２８に移行して、発電許可指令を出力する。また、パージバルブ２４が故障していると判断された場合には（ステップＳ２４，Ｙｅｓ）、ステップＳ２５でドレインバルブ２５を開弁し、ステップＳ２６でドレインバルブ２５を所定時間経過するまで開弁させる処理が行われる。ドレインバルブ２５が所定時間開弁したと判断された場合には（ステップＳ２６，Ｙｅｓ）、ステップＳ２７でドレインバルブ２５を閉じた後、ステップＳ２８で発電許可指令を出力する。

なお、前記した実施形態では、パージバルブ２４やドレインバルブ２５が開いてから閉じる際のタイミングを時間で制御しているが、これに限定されるものではなく、流量を計測する流量センサを設けて、この流量に基づいて前記タイミングを制御してもよい。

また、発電許可指令出力の条件として、スタック電圧Ｖが所定電圧を超えたか否かで判断しているが（図２のステップＳ３）、電圧に限定されるものではなく、燃料電池ＦＣの温度を検知する温度センサを設けて、この温度センサに基づいて発電開始条件（例えば、温度が所定温度を超えたとき）を判断してもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。本実施形態の燃料電池システムでの起動処理を示すフローチャートである。スタック温度とパージ要求量との関係を示すマップである。起動パージ中に発電許可が成立する場合のタイムチャートである。起動パージ後に発電許可が成立する場合のタイムチャートである。希釈中に発電許可が成立する場合のタイムチャートである。希釈後に強制的に発電許可が成立する場合のタイムチャートである。パージバルブ故障判断時に発電許可が成立する場合のタイムチャートである。参考例としての燃料電池システムでの起動処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
２ａアノードガス供給配管（反応ガス流通路）
２ｂアノードガス排出配管（反応ガス流通路）
５ＥＣＵ（発電開始判断手段、第１のガス置換手段、第２のガス置換手段）
２１高圧水素タンク（反応ガス供給手段）
２３ｂアノードガス循環配管（反応ガス流通路）
２４パージバルブ（第１のバルブ）
２５ドレインバルブ（第２のバルブ）
ＦＣ燃料電池
Ｓ２電圧センサ（電圧検知手段）

Claims

アノード極に水素が、カソード極に空気がそれぞれ供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記アノード極の上流側に接続されて水素が流通する水素供給路と、
前記アノード極の下流側に接続されて水素オフガスが流通する水素排出路と、
前記水素供給路に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素排出路から水素オフガスを排出させる第１のバルブと、
前記水素排出路から水素オフガスを排出させる第２のバルブと、
前記第１のバルブおよび前記第２のバルブの下流に接続され、前記第１のバルブまたは前記第２のバルブから排出された水素オフガスを、前記カソード極から排出された空気オフガスで希釈する希釈器と、を備え、
前記燃料電池の発電停止時に、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブを閉じて、前記水素供給路および前記水素排出路を密閉する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電開始時、前記水素供給手段から前記水素を供給するとともに前記第１のバルブを開いて前記水素供給路および前記水素排出路を水素に置換しつつ、前記希釈器において前記第１のバルブから排出された水素オフガス中の水素を空気オフガスで希釈処理する第１のガス置換手段と、
前記第２バルブを開いて前記水素供給路および前記水素排出路を水素に置換する第２のガス置換手段と、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧センサと、
前記燃料電池の電圧が所定電圧を超える場合に発電開始条件が成立していると判断し、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下である場合に発電開始条件が成立していないと判断する発電開始判断手段と、
前記発電開始判断手段が前記発電開始条件は成立していないと判断した場合、前記第１のバルブが故障しているか否かを判断する故障判断手段と、
をさらに備え、
前記故障判断手段が前記第１のバルブは故障していないと判断した場合、
前記第１のガス置換手段は、前記希釈処理を継続し、当該希釈処理の継続中に前記発電開始判断手段が発電開始条件が成立したと判断した場合、発電許可指令を出力し、
前記故障判断手段が前記第１のバルブは故障していると判断した場合、
前記第２のガス置換手段は、前記第１のガス置換手段が前記第１のバルブを閉じてから前記希釈処理が完了となる第１所定時間の経過を待たずに、前記第２のバルブを開き、当該第２のバルブが開いている間において前記発電開始判断手段が発電開始条件が成立したと判断した場合、発電許可指令を出力することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池のアノード極側の圧力であるアノード圧力を検出する圧力センサを備え、
前記故障判断手段は、前記アノード圧力の挙動に基づいて前記第１のバルブの故障を判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水素排出路に設けられ、水素オフガス中の水分を分離する気液分離器を備え、
前記第２のバルブの上流側は前記気液分離器に接続されており、
前記第２のバルブは、前記燃料電池の通常発電中、分離した水分を前記希釈器に排出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記故障判断手段は、前記第１のバルブを開弁してから前記水素供給路および前記水素排出路が、安定した発電性能を得ることができる水素に置換されるのに必要な第２所定時間が経過して前記第１のバルブを閉じた後、前記第１のバルブが故障しているか否かを判断することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記第２所定時間は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池の発電停止時間および前記第２所定時間が予め関係付けられたマップに基づいて決定され、
前記マップは、前記燃料電池の温度が高くなるにつれて、前記発電停止時間が長くなるにつれて、前記所定時間が長くなるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。