JP5223624B2 - 燃料電池システム及びそれを用いた燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を発電させる燃料電池システム及びそれを用いた燃料電池システムの制御方法に関する。

従来より、反応極に供給される反応ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが、下記の特許文献１などにて知られている。この燃料電池システムは、燃料電池内を所定の湿潤状態に維持する必要があるために燃料電池の乾燥状態を診断する必要がある。特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池内にて乾燥しやすい部位を流れる電流を電流センサによって測定し、当該測定された電流が所定電流値未満である場合には、燃料電池が乾燥状態であることを診断していた。
特開２００５−１００９５２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術を利用しても、燃料電池内が急激に乾燥する場面では、燃料電池内で乾燥しやすい部位に限らず、乾燥状態となることがある。この場合、上述した特許文献１に記載された技術では、燃料電池内で乾燥しやすい部位のみの乾燥状態を診断しているので、当該乾燥しやすい部位以外の乾燥部位を検知できない場合がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池内の乾燥状態の検知精度を向上させること目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、コントローラからの指令電流に基づき燃料電池に電流を指令し、燃料電池からの出力電流を検出する制御装置を備える。そして、制御装置からの指令電流値と燃料電池からの出力電流値との差分を演算し、当該差分に基づいて燃料電池の乾燥状態を監視することにより、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、制御装置から燃料電池への指令電流値と、燃料電池からの出力電流値との差分を演算し、当該差分に基づいて当該燃料電池の異常を監視するので、燃料電池に設けた電流センサの設置位置に依存することはない。従って、急激に燃料電池内が乾燥状態になる場面に、燃料電池内において乾燥しやすい部分のみならず、通常では乾燥しにくい部分が乾燥しても、当該乾燥によって発生する発電効率の低下に応じた実際の発電値の低下を精度よく検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動モータ２４を駆動する。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を介して一対の反応極（燃料極および酸化剤極）が対設された燃料電池構造体を、セパレータを介して複数積層することにより構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、アノード１ａ（燃料極）に燃料ガス（反応ガス）が供給されるとともに、カソード１ｃ（酸化剤極）に酸化剤ガス（反応ガス）が供給されることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。燃料電池スタック１は、アノード１ａに水素ガス、カソード１ｃに空気がそれぞれ供給され、以下の（１）、（２）に示す電極の電気化学反応により発電が行われる。
アノード（水素極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋ (１／２)Ｏ₂ →Ｈ₂Ｏ （２）

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。

水素系において、アノード１ａへは、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁１７、水素供給弁４を通じて水素が供給される。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁１７で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４によってアノード１ａでの水素圧力が所望の水素圧力となるように制御される。ここで、水素供給弁４は、コントローラ２６によって当該水素供給弁４に接続されたアクチュエータが開閉制御されることによって開度が調整される。なお、本実施形態において、コントローラ２６は、特に限定されないが、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されているものとする。

水素循環ポンプ５は、アノード１ａで消費されなかった水素をアノード１ａに再循環させるために設置される。アノード１ａの水素圧力は、水素圧力センサ６ａで検出されてコントローラ２６に供給される。コントローラ２６は、検出された水素圧力に基づいてフィードバック制御して、水素供給弁４を駆動することによって、アノード１ａでの水素圧力を制御する。また、アノード１ａの温度は、アノード１ａの入口に接続された水素管に設けられた冷却水温度センサ１１ｃによって検出される。

このように燃料電池システムは、コントローラ２６が水素供給弁４を制御することによって水素系における水素圧力を一定に制御することによって、燃料電池スタック１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。

パージ弁７は、アノード１ａの水素出口側の流路に設けられる。このパージ弁７は、（１）水素循環機能を確保するために水素系内に蓄積した窒素を排出する、（２）燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるためにガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす、（３）燃料電池スタック１の劣化を防止するために起動時および停止時にカソード１ｃの酸素を発電により消費させつつ水素系内のガスを水素に置換させる、という役割を果たす。このパージ弁７は、コントローラ２６によって当該パージ弁７に接続されたアクチュエータが開閉制御されることによって開閉が調整される。

燃料電池スタック１のアノード１ａには、排水流路を介して排水タンク１９が接続されている。排水タンク１９は、燃料電池スタック１の生成されて燃料電池スタック１自身を加湿する生成水のうち余剰水分を一時的に溜めている。排水タンク１９には、溜めた生成水を排出する排水弁２０が接続されている。燃料電池システムは、排水タンク１９内の水位をレベルセンサ２１によって検知し、排水弁２０を開けて排水することにより排水タンク１９内の水位を制御する。

空気系において、カソード１ｃへは、コンプレッサ８が駆動することによって加圧された空気が供給される。カソード１ｃにおける空気圧力は、空気圧力センサ６ｂで検出されてコントローラ２６に供給される。コントローラ２６は、検出された空気圧力に基づいてフィードバック制御して、空気調圧弁９を駆動することによって、カソード１ｃでの空気圧力を制御する。カソード１ｃを通過した空気は、当該カソード１ｃの出口に設けられた空気調圧弁９を通過して外部に排出されることとなる。また、カソード１ｃの温度は、カソード１ｃの入口に接続された空気流路に設けられた冷却水温度センサ１１ｄによって検出される。

このように燃料電池システムは、カソード１ｃの空気圧力、アノード１ａの水素圧力を、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜１ｂやセパレータ１ｄに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。

冷却系において、冷却水は、例えば、純水に凝固点降下剤としてエチレングリコール等を混合した冷却液を使用する。この冷却系は、冷却水ポンプ１０と、ラジエタ１３及びラジエタファン１４と、冷却水用三方弁１２とが、燃料電池スタック１における冷却水流路１ｅに接続された冷却水循環流路に設けられている。また、冷却系は、この冷却水循環流路から分岐したバイパス路１５が、冷却水ポンプ１０における冷却水取込側に接続されている。バイパス路１５には、冷却水温度を高くするための冷却水ヒータ１６が設けられている。

このような冷却系は、燃料電池スタック１の温度を所定の温度範囲となるように冷却水ポンプ１０の冷却水吐出量、ラジエタファン１４の駆動量、冷却水用三方弁１２の開度、冷却水ヒータ１６の駆動量を、コントローラ２６によって制御する。これにより、燃料電池システムは、冷却水ポンプ１０を動作させることにより冷却水循環流路内で冷却液を循環させる。ラジエタファン１４は、燃料電池システムの停止時や低速走行時における走行風が少ないときにラジエタ１３へ通風させて冷却水を冷やすことによって、燃料電池スタック１の冷却による冷却水の温度上昇を抑制する。

また、燃料電池システムは、必要に応じて冷却水用三方弁１２の冷却水ヒータ１６側の開口を開状態にしてバイパス路１５における冷却水ヒータ１６に冷却水を通過させることによって、冷却水温度を上昇させる。冷却水ヒータ１６は、燃料電池システムの低温起動時に冷却水用三方弁１２を通過した冷却水が供給されて、冷却水を加熱する。

この冷却系において、コントローラ２６は、冷却水用三方弁１２、ラジエタファン１４を制御することにより、冷却水温度を調整する。このとき、コントローラ２６は、燃料電池スタック１の冷却水流路１ｅの入口付近に配置した冷却水温度センサ１１ａ，冷却水流路１ｅの出口付近に配置した冷却水温度センサ１１ｂでそれぞれ検出した冷却水温度を入力し、燃料電池スタック１の温度が所定の温度範囲となるように冷却水流路１ｅ入口及び出口における冷却水温度を調整する。

このように構成された燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１によって発電された発電電力は、パワーマネージャ２３によって取り出される。パワーマネージャ２３は、燃料電池スタック１から電力を取り出して車両を駆動する駆動モータ２４へ電力を供給する。パワーマネージャ２３は、駆動モータ２４に必要な電力が燃料電池スタック１の発電電力では不足するときに、バッテリ２５を放電させて不足電力を駆動モータ２４に供給する。また、パワーマネージャ２３は、燃料電池スタック１の発電電力に余裕がある場合、燃料電池スタック１の発電電力をバッテリ２５で充電したり、駆動モータ２４の回生電力をバッテリ２５に充電する制御を行う。また、パワーマネージャ２３は、燃料電池システムの停止時に、電圧センサ２２ａで検出された燃料電池電圧および経過時間に応じて、燃料電池スタック１から電力を取り出して、カソード１ｃの酸素を消費させる。

このような燃料電池システムにおいて、コントローラ２６は、燃料電池スタック１が発電すべき発電値（電力、電圧、電流）である目標発電値を演算し（目標発電値演算手段）、目標発電値に基づいて燃料電池スタック１を発電させる（発電制御手段）。この状態にて、コントローラ２６は、燃料電池スタック１の実際の発電値（電力、電圧、電流）を検出し（発電検出手段）と、目標発電値と実際の発電値との差分を演算し、当該差分に基づいて当該燃料電池システムの異常を監視する（異常監視手段）。ここで、本実施形態において、燃料電池スタック１の発電値とは、電圧センサ２２ａ又は電流センサ２２ｂによって検出される電圧値、電流値、又は電力値である。また、燃料電池スタック１の目標発電値とは、例えば、コントローラ２６によって指令される目標電流値であり、燃料電池スタック１の実際の発電値とは、パワーマネージャ２３から駆動モータ２４に供給する実際の電流値（実電流値）である。また、目標発電値及び実際の発電値は、電流値ではなくても電圧値又は電力値であっても良い。

このように燃料電池システムは、目標電流値と実電流値との差分を演算し、当該差分が大きい場合に、当該燃料電池システムの異常であることを監視する（異常監視手段）。これにより、燃料電池システムは、燃料電池スタック１内が急激に乾燥することによる発電効率の低下を高精度に検知することができる。

「燃料電池システムの異常監視処理」
つぎに、上述したように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムにおける異常監視処理について、図２のフローチャート等を参照して説明する。

燃料電池システムが起動すると、先ず、ステップＳ１において、コントローラ２６は、パワーマネージャ２３に指令している目標電流値Ｉｐと、パワーマネージャ２３が実際に駆動モータ２４に供給している実電流値Ｉｓを読み込む。

次のステップＳ２において、コントローラ２６は、燃料電池システムの出力が増加中か否かを判定する。例えばパワーマネージャ２３から駆動モータ２４に電力供給をする時のパワーマネージャ２３における出力デューティ（DUTY）値を読み込み、当該出力デューティ値が正値（プラス）の場合には、燃料電池システムの出力が増加中であると判定して、処理をステップＳ３に進める。一方、出力デューティ値が負値（マイナス）の場合には、燃料電池システムの出力が減少中であると判定し、ステップＳ４に処理を進める。

ステップＳ３において、コントローラ２６は、ステップＳ１にて読み込んだ目標電流値Ｉｐに対する実電流値Ｉｓを、当該目標電流値Ｉｐの演算時刻よりも所定時間だけ遅れた時刻に検出された実電流値Ｉｓとする。すなわち、実電流値Ｉｓに遅れ要素を含んだフィルタをかけ、目標電流値Ｉｐを駆動モータ２４に供給するようにパワーマネージャ２３が動作したときの実電流値Ｉｓを取得する。これにより、燃料電池システムの出力が増加中であっても、後述するように、同時に目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓとを読み込んだ時の双方のずれよりも、目標電流値Ｉｐと当該目標電流値Ｉｐに対して遅延した実電流値Ｉｓとのずれを小さくする。

ステップＳ４において、コントローラ２６は、冷却水温度センサ１１ｂで検出した冷却水温度Ｔｅが所定の冷却水温度閾値Ｔｅｄより高いか否かを判定する。この冷却水温度閾値Ｔｅｄは、燃料電池システムが起動直後の状態ではなく定常状態であることを確認できる冷却水温度であり、例えば冷却水温度閾値Ｔｅｄは８０℃に設定される。冷却水温度Ｔｅが冷却水温度閾値Ｔｅｄよりも高い場合にはステップＳ５に処理を進め、冷却水温度Ｔｅが冷却水温度閾値Ｔｅｄよりも高くない場合にはステップＳ６に処理を進める。

ステップＳ５において、コントローラ２６は、水素圧力センサ６ａ及び／又は空気圧力センサ６ｂにより検出したガス圧力Ｐが所定のガス圧力閾値Ｐｄよりも低いか否かを判定する。ここで、このガス圧力閾値Ｐｄは、燃料電池システムが起動直後ではなく燃料電池スタック１に対して水素及び空気が安定して供給されているガス圧力閾値Ｐｄが設定されており、例えばガス圧力閾値Ｐｄは２００ｋＰａとする。

同様に、ステップＳ６において、コントローラ２６は、水素圧力センサ６ａ及び／又は空気圧力センサ６ｂにより検出したガス圧力Ｐが所定のガス圧力閾値Ｐｄよりも低いか否かを判定する。ここで、このガス圧力閾値Ｐｄは、燃料電池システムが起動直後ではなく燃料電池スタック１に対して水素及び空気が安定して供給されているガス圧力閾値Ｐｄが設定されており、例えばガス圧力閾値Ｐｄは２００ｋＰａとする。

ステップＳ４にて冷却水温度Ｔｅが冷却水温度閾値Ｔｅｄよりも高いと判定（ＹＥＳ）され、ステップＳ５にてガス圧力Ｐがガス圧力閾値Ｐｄよりも低い（ＹＥＳ）と判定された場合には、ステップＳ７に処理を進める。ステップＳ７において、コントローラ２６は、目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓとの差分と比較される差分閾値を、Ｉｄａとして決定する。ここで、差分閾値Ｉｄａは、図３に示すようなマップデータに基づいて決定される。すなわち、差分閾値Ｉｄａは、冷却水温度Ｔｅが高くガス圧力Ｐが低いほど、低い値となる。

ステップＳ４にて冷却水温度Ｔｅが冷却水温度閾値Ｔｅｄよりも高いと判定（ＹＥＳ）され、ステップＳ５にてガス圧力Ｐがガス圧力閾値Ｐｄよりも低くないと判定（ＮＯ）された場合には、ステップＳ１２に処理を進める。ステップＳ１２において、コントローラ２６は、目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓとの差分と比較される差分閾値として、Ｉｄｂを決定する。ここで、差分閾値Ｉｄｂは、図４に示すようなマップデータに基づいて決定される。すなわち、差分閾値Ｉｄｂは、冷却水温度Ｔｅが高いほど低い値となる。

ステップＳ４にて冷却水温度Ｔｅが冷却水温度閾値Ｔｅｄよりも低いと判定（ＮＯ）され、ステップＳ６にてガス圧力Ｐがガス圧力閾値Ｐｄよりも低いと判定（ＹＥＳ）された場合には、ステップＳ１７に処理を進める。ステップＳ１７において、コントローラ２６は、目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓとの差分と比較される差分閾値を、Ｉｄｃとして決定する。ここで、差分閾値Ｉｄｃは、図５に示すようなマップデータに基づいて決定される。すなわち、差分閾値Ｉｄｃは、ガス圧力Ｐが高いほど、低い値となる。

ステップＳ４にて冷却水温度Ｔｅが冷却水温度閾値Ｔｅｄよりも低いと判定（ＮＯ）され、ステップＳ６にてガス圧力Ｐがガス圧力閾値Ｐｄよりも低くないと判定（ＮＯ）された場合には、ステップＳ２２に処理を進める。ステップＳ２２において、コントローラ２６は、目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓとの差分と比較される差分閾値を、Ｉｄｄとして決定する。ここで、差分閾値Ｉｄｄは、所定の一定値である。この差分閾値Ｉｄｄは、図３乃至図５に示すような値である。

このように、燃料電池システムは、現在の燃料電池スタック１内の温度によって決定される冷却水温度Ｔｅが高いときには判定閾値を低くする。また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１内の圧力を表す水素圧力センサ６ａ及び／又は空気圧力センサ６ｂが検出したガス圧力Ｐが、低いときには、判定閾値を低くする。

次に燃料電池システムは、決定した判定閾値を用いて当該燃料電池システムの異常監視を行う。

ステップＳ８において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が、ステップＳ７にて決定された差分閾値Ｉｄａよりも高いか否かを判定する。当該差分が差分閾値Ｉｄａよりも高い場合（ＹＥＳ）、ステップＳ９に処理を進める。ステップＳ９において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄａよりも高くなっている時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長いか否かを判定する。時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長い場合（ＹＥＳ）には、コントローラ２６は、ステップＳ１０において、燃料電池システムの異常が発生していると判定し、当該燃料電池システムを停止させる。一方、ステップＳ８にて実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄａよりも低い（ＮＯ）又はステップＳ９にて時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも短い場合（ＮＯ）には、ステップＳ１１において、燃料電池システムの異常はないと判定してステップＳ１に処理を戻す。

ステップＳ１３において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が、ステップＳ１２にて決定された差分閾値Ｉｄｂよりも高いか否かを判定する。当該差分が差分閾値Ｉｄｂよりも高い場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１４に処理を進める。ステップＳ１４において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄｂよりも高くなっている時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長いか否かを判定する。時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長い場合（ＹＥＳ）には、コントローラ２６は、ステップＳ１５において、燃料電池システムの異常が発生していると判定し、当該燃料電池システムを停止させる。一方、ステップＳ１３にて実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄｂよりも低い（ＮＯ）又はステップＳ１４にて時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも短い場合（ＮＯ）には、ステップＳ１６において、燃料電池システムの異常はないと判定してステップＳ１に処理を戻す。

ステップＳ１８において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が、ステップＳ１７にて決定された差分閾値Ｉｄｃよりも高いか否かを判定する。当該差分が差分閾値Ｉｄｃよりも高い場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１９に処理を進める。ステップＳ１９において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄｃよりも高くなっている時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長いか否かを判定する。時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長い場合（ＹＥＳ）には、コントローラ２６は、ステップＳ２０において、燃料電池システムの異常が発生していると判定し、当該燃料電池システムを停止させる。一方、ステップＳ１８にて実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄｃよりも低い（ＮＯ）又はステップＳ１９にて時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも短い場合（ＮＯ）には、ステップＳ２１において、燃料電池システムの異常はないと判定してステップＳ１に処理を戻す。

ステップＳ２３において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が、ステップＳ２２にて決定された差分閾値Ｉｄｄよりも高いか否かを判定する。当該差分が差分閾値Ｉｄｄよりも高い場合（ＹＥＳ）、ステップＳ２４に処理を進める。ステップＳ２４において、コントローラ２６は、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄｄよりも高くなっている時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長いか否かを判定する。時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも長い場合（ＹＥＳ）には、コントローラ２６は、ステップＳ２５において、燃料電池システムの異常が発生していると判定し、当該燃料電池システムを停止させる。一方、ステップＳ２３にて実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分が差分閾値Ｉｄｃよりも低い（ＮＯ）又はステップＳ２４にて時間Ｔが時間閾値Ｔｄよりも短い場合（ＮＯ）には、ステップＳ２６において、燃料電池システムの異常はないと判定してステップＳ１に処理を戻す。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明の第１実施形態として示した燃料電池システムによれば、目標電流値Ｉｐに基づいて燃料電池スタック１に対して水素及び空気を供給してパワーマネージャ２３によって電力を取り出している時に、燃料電池スタック１の実際の実電流値Ｉｓを検出して、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分に基づいて当該燃料電池システムの異常を監視することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、急激に燃料電池スタック１内が乾燥状態になる場面に、燃料電池スタック１内において乾燥しやすい部分のみならず、通常では乾燥しにくい部分が乾燥しても、当該乾燥によって発生する発電効率の低下に応じた実電流値Ｉｓの低下を精度よく検出することができる。

また、例えば燃料電池スタック１におけるセルの発電状態によって乾燥検知を行うためには燃料電池スタック１におけるエンドセルに電流センサを設置することが不可能なことからエンドセル以外のセルの異常検知性が低い。また、複数箇所の乾燥を検出する場合には、センサの点数を増やすことによるコストアップが見込まれてしまう。しかし、第１実施形態として示した燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の起動中にパワーマネージャ２３の目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓの差分を検出することで、燃料電池システムに異常がないかを監視しているので、燃料電池スタック１内の何処かで発生したドライアウト（乾燥異常）を検知することができる。

また、この燃料電池システムは、当該燃料電池システムの起動時にステップＳ１以降の動作を開始するので、当該燃料電池システムの起動時における燃料電池スタック１内の乾燥異常を精度良く検知することができる。

更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１が略一定の発電値を発電している時に当該燃料電池システムの異常を監視するので、負荷変動による外乱を抑制することができ、乾燥異常の検知精度を向上することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が高い場合に、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分と比較される差分閾値を小さくして、当該差分が当該差分閾値を超えた場合に当該燃料電池システムが異常であることを判定するので、燃料電池スタック１の温度が高い場合には燃料電池スタック１の乾燥異常を検出しやすくすることができ、燃料電池スタック１内の乾燥異常の検出精度を高くすることができる。すなわち、燃料電池スタック１の温度が高い場合には、当該燃料電池スタック１内の高温状態によって乾燥異常に至るために要する時間が短いので、判定閾値を小さくして、実際に乾燥異常となってしまう前に燃料電池スタック１内の乾燥異常を検知することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１内の圧力が低い場合に、実電流値Ｉｓと目標電流値Ｉｐとの差分と比較される判定閾値を小さくして、当該差分が当該閾値を超えた場合に当該燃料電池システムが異常であることを判定するので、燃料電池スタック１内の圧力が低い場合には燃料電池スタック１の乾燥異常を検出しやすくすることができ、燃料電池スタック１内の乾燥異常の検出精度を高くすることができる。すなわち、燃料電池スタック１内の圧力が低い場合には、当該燃料電池スタック１内の飽和蒸気圧が低下して、水素を循環させている水素系内から排出する水分量が増加するため、水素系内の水蒸気が減少する。したがって、燃料電池スタック１内の圧力が低い時には、水素系内が乾燥状態になり、当該乾燥状態時には燃料電池スタック１内の乾燥異常（ドライアウト）が発生しやすくなる。これに対し、燃料電池システムは、燃料電池スタック１内の圧力が低い場合には判定閾値を低下させて、燃料電池スタック１内の乾燥異常を検知しやすくすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１内の温度が高く、燃料電池スタック１内の圧力が低い場合に、差分閾値を小さくして、当該差分が当該閾値を超えた場合に当該燃料電池システムが異常であることを判定するので、燃料電池スタック１の温度が高い場合及び燃料電池スタック１内の圧力が低い場合には、燃料電池スタック１の乾燥異常をより検出しやすくすることができ、燃料電池スタック１内の乾燥異常の検出精度をより高くすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、目標電流値Ｉｐと実電流値Ｉｓとの差異を演算するに際し、目標電流値Ｉｐと、当該目標電流値Ｉｐの演算時刻よりも所定時間だけ遅れた時刻に検出された実電流値Ｉｓとを用いるので、目標電流値Ｉｐに対する実電流値Ｉｓの検出遅れを補正することができ、燃料電池スタック１内が乾燥異常であることの誤検知を防止することができる。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように構成され、図６に示すフローチャートに従って動作するものである。特に、第２実施形態として示す燃料電池システムは、図６におけるステップＳ１の後のステップＳ３１において、目標電流値Ｉｐが所定の目標閾値Ｉｐｄよりも高いか否かを判定する。この目標閾値Ｉｐｄは、燃料電池スタック１内において乾燥異常（ドライアウト）が発生しやすい発電状態か否かを判定する値であり、例えば、目標閾値Ｉｐｄを５０Ａとされる。

目標電流値Ｉｐが目標閾値Ｉｐｄよりも高い場合にはステップＳ２以降の処理を進めて、上述した第１実施形態として示した燃料電池システムと同様に燃料電池スタック１の乾燥異常の監視を行う。一方、目標電流値Ｉｐが目標閾値Ｉｐｄよりも高くない場合には、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

このような第２実施形態に係る燃料電池システムは、目標電流値Ｉｐが所定の目標閾値Ｉｐｄ以上である場合に当該燃料電池システムの異常を監視し、目標電流値Ｉｐが所定の目標閾値Ｉｐｄ以上ではない場合に当該燃料電池システムの異常監視を禁止する。これにより、燃料電池システムによれば、目標電流値Ｉｐが所定の目標閾値Ｉｐｄ上であることを確認してから乾燥異常の監視動作を行うので、乾燥異常が発生しやすい状態にのみ燃料電池スタック１の乾燥異常を検知する動作を行い、乾燥異常が発生しない状態では燃料電池スタック１の乾燥異常を検知しないことによって、異常検知に対する信頼性を向上させることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態として示す燃料電池システムにおける異常監視処理の処理手順を示すフローチャートである。 冷却水温度が高くガス圧力が低い時に用いられる、冷却水温度及びガス圧力に対する電流閾値のマップデータを示す図である。 冷却水温度が高くガス圧力が低くない時に用いられる、冷却水温度に対する電流閾値のマップデータを示す図である。 冷却水温度が高くなくガス圧力が低い時に用いられる、ガス圧力に対する電流閾値のマップデータを示す図である。 本発明の第２実施形態として示す燃料電池システムにおける異常監視処理の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１ａ アノード
１ｂ 電解質膜
１ｃ カソード
１ｄ セパレータ
１ｅ 冷却水流路
２ 水素タンク
３ 水素タンク元弁
４ 水素供給弁
５ 水素循環ポンプ
６ａ 水素圧力センサ
６ｂ 空気圧力センサ
７ パージ弁
８ コンプレッサ
９ 空気調圧弁
１０ 冷却水ポンプ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 冷却水温度センサ
１２ 冷却水用三方弁
１３ ラジエタ
１４ ラジエタファン
１５ バイパス路
１６ 冷却水ヒータ
１７ 減圧弁
１９ 排水タンク
２０ 排水弁
２１ レベルセンサ
２２ａ 電圧センサ
２２ｂ 電流センサ
２３ パワーマネージャ
２４ 駆動モータ
２５ バッテリ
２６ コントローラ

Claims (9)

1. コントローラからの指令電流に基づき燃料電池に電流を指令し、前記燃料電池からの出力電流を検出する制御装置を備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置からの指令電流値と前記燃料電池からの出力電流値との差分を演算し、当該差分に基づいて前記燃料電池の乾燥状態を監視する異常監視手段
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記異常監視手段は、前記燃料電池の起動時に当該燃料電池の異常を監視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。
3. 前記異常監視手段は、前記燃料電池が略一定の発電値を発電している時に当該燃料電池の異常を監視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。
4. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
   前記異常監視手段は、前記温度検出手段により検出された燃料電池の温度が高い場合に、前記差分と比較される閾値を小さくして、当該差分が当該閾値を超えた場合に当該燃料電池が異常であることを判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池内の圧力を検出する圧力検出手段を更に備え、
   前記異常監視手段は、前記圧力検出手段により検出された燃料電池内の圧力が低い場合に、前記差分と比較される閾値を小さくして、当該差分が当該閾値を超えた場合に当該燃料電池が異常であることを判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池内の圧力を検出する圧力検出手段とを更に備え、
   前記異常監視手段は、前記温度検出手段により検出された燃料電池の温度が高く、前記圧力検出手段により検出された燃料電池内の圧力が低い場合に、前記差分と比較される閾値を小さくして、当該差分が当該閾値を超えた場合に当該燃料電池が異常であることを判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記異常監視手段は、目標発電値が所定の発電値以上である場合に当該燃料電池の異常を監視することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記異常監視手段は、前記制御装置から前記燃料電池への指令電流値と、当該指令後所定時間だけ遅れた時刻に検出された前記燃料電池から前記制御装置への出力電流値とで差分を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
9. コントローラからの指令電流に基づき燃料電池に電流を指令し、前記燃料電池からの出力電流を検出する制御装置を備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置からの指令電流値と前記燃料電池からの出力電流値との差分を演算し、
   当該差分に基づいて前記燃料電池の湿潤状態を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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