JP6376184B2 - 燃料電池システムおよび車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび車両に関する。

従来の燃料電池システムでは、始動時に、水素および空気を燃料電池に供給し、水素および空気の各流量が所定流量に到達した場合に、燃料電池の出力電圧を測定し、測定した出力電圧に基づいて、燃料電池スタックが異常であるか否かを判定している（特許文献１参照）。

特開２００９−１１０８０６号公報

この種の燃料電池システムでは、様々な要因から、空気の流量が十分に上がらない場合がある。例えば、冷間で始動する場合に、エアコンプレッサの始動時の駆動源となるバッテリの保護の観点から、エアコンプレッサの駆動が抑制され、空気の流量は少ない値となる。例えば、エアコンプレッサにフリクションが発生した場合に、空気の流量は少ない値となる。空気の流量が十分に上がらない場合、上記の背景技術では、空気の流量が所定流量に到達せず、燃料電池スタックの異常を判定することができない問題が発生した。そのため、燃料電池システムにおいて、空気の流量が十分に上がらない場合にも異常判定できる技術が望まれていた。

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、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池と；燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と；空気を前記燃料電池に供給する空気供給部と；前記燃料電池に供給される空気の流量を取得する空気流量取得部と；前記燃料電池の出力電圧を取得する電圧取得部と；前記燃料ガス供給部および前記空気供給部を制御する制御部と；を備える。前記制御部は；前記燃料電池システムの始動の際に、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給が完了したと推定されるまでの第１の期間、前記燃料電池への燃料ガスの供給を行い；前記第１の期間が経過した後に、前記空気供給部によって前記空気の供給を開始し；前記空気の供給を開始した以後の予め定められた第２の期間に、前記空気流量取得部によって取得された前記流量についての積算値を算出し；算出した前記積算値が予め定められた空気量を超えた場合に、前記電圧取得部によって取得された前記出力電圧が予め定められた電圧を下回るとき、前記燃料電池システムは異常であると判定する。この構成の燃料電池システムによれば、始動の際に、燃料電池への前記燃料ガスの供給が完了したと推定されるまでの第１の期間、燃料電池への燃料ガスの供給がなされた後に、空気の供給を開始する。その後、第２の期間において、取得された空気の流量についての積算値を算出し、算出した積算値が予め定められた空気量を超えた場合に、燃料電池の出力電圧に基づく燃料電池システムの異常判定を行う。空気の流量についての積算値は燃料電池に対してトータルとして供給された空気量を表すことから、単位時間当たりの空気量である流量が十分に上昇しない場合にも、積算値から空気の供給量が十分になされたことを知ることができる。したがって、この燃料電池システムでは、空気の流量が十分に上がらない場合にも、燃料電池システムが異常であるか否かを判定することができる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記空気供給部は、圧縮した空気を吐出するエアコンプレッサと、前記燃料電池への空気の供給量を制御する制御弁と、を有し、前記制御部は、前記エアコンプレッサの吐出空気量が一定であり、かつ、前記制御弁に対する指令値が一定である期間を前記第２の期間として、前記積算値の算出を行ってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックへ供給される空気量が大きく変化することのない期間、すなわち、空気の流量が安定した期間において、積算値の算出を行うことが可能となることから、燃料電池システムの異常の判定精度を向上することができる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池システムが異常であると判定された場合に、前記制御弁を複数回、開閉動作させてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、空気供給部に備えられた制御弁において、ゴムシール部分が弁座に貼り付くことによって発生する開弁不良を修復することができる。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスについてのガス圧を検出する圧力センサを有し、前記制御部は、前記圧力センサによって検出されたガス圧が予め定められた値以上となったときに、前記第１の期間が経過したと判定してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、空気の供給を開始する前に、燃料ガスを燃料電池スタックに十分な量だけ供給することができる。このため、空気の供給を開始した際に、燃料電池スタック内において水素が欠乏することを防ぐことができ、触媒劣化を防止することができる。

（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１の期間が経過したときから前記空気の供給を開始するまでの期間において、前記燃料ガス供給部からの水素漏れを検出してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給部からの水素漏れの検出を容易な構成で実現できる。

（６）本発明の他の形態によれば、車両が提供される。この車両は、上記形態の燃料電池システムが備えられる。この形態の車両によれば、空気の流量が十分に上がらない場合にも、燃料電池システムが異常であるか否かを判定することができる。

本発明は、装置（システム）、車両以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載する船舶、飛行機などの車両以外の移動体、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的な記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの流路構成を示す説明図である。 ＦＣ−ＥＣＵによって実行される燃料電池システム始動処理を示すフローチャートである。 水素系起動処理の詳細を示すフローチャートである。 空気系起動処理の詳細を示すフローチャートである。 スタートスイッチがオン状態に切り替えられた以降の電圧検出信号、空気流量等の時間変化を示すタイムチャートである。 空気系異常回復処理の詳細を示すフローチャートである。

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の流路構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池車両は、例えば、四輪自動車である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、空気供給排出部３０と、水素ガス供給排出部５０と、冷媒循環部７０と、制御部８０と、スタートスイッチ９０と、を備える。なお、燃料電池車両は、電源として、燃料電池スタック２０以外にバッテリ（図示せず）を備える。バッテリは、補助電源であり、例えば、燃料電池スタック２０を始動する際に利用される。

燃料電池スタック２０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルを積層して形成される。各単セルは、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極（カソード、アノード）を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体の両外側に配置されるセパレータと、を備える。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池スタック２０は、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。燃料電池スタック２０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「燃料電池」に相当する。

空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスとしての空気を供給する機能と、燃料電池スタック２０のカソード側から排出される排水とカソード排ガスとを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の上流側に、空気供給用配管３１と、エアクリーナ３２と、エアコンプレッサ３３と、過給により上昇した吸気温度を低下するインタクーラ３４と、分流弁３５と、空気分流用配管３７と、を備える。

空気供給用配管３１は、燃料電池スタック２０のカソード側の入口に接続されている配管であり、外部の空気を取り込む吸気口側から下流に向かって、エアクリーナ３２、エアコンプレッサ３３、インタクーラ３４、分流弁３５が、この順に設けられている。

エアクリーナ３２は、空気供給用配管３１における吸気口側に設けられ、取り入れた空気を清浄する。エアクリーナ３２の近傍には、エアクリーナ３２を通過した空気の流量を計測するエアフロメータ９５が備えられている。エアコンプレッサ３３は、空気を取り込んで、圧縮した空気を燃料電池スタックのカソード側に供給する。インタクーラ３４は、エアコンプレッサ３３により上昇した吸気温度を低下する。

分流弁３５は、インタクーラ３４と燃料電池スタック２０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３によって圧縮されインタクーラ３４によって冷却された空気を、燃料電池スタック２０側と、空気分流用配管３７を介して後述するカソード排ガス用配管４１側とに分流する。

空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の下流側に、カソード排ガス用配管４１と、調圧弁４３と、マフラー４６と、を備える。カソード排ガス用配管４１は、燃料電池スタック２０のカソード側の出口に接続されている配管であり、排水及びカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出可能である。

調圧弁４３は、カソード排ガス用配管４１に備えられ、カソード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０のカソード側の背圧）を調整する。カソード排ガス用配管４１における調圧弁４３より下流に、空気分流用配管３７の分流先のポートが接続されている。こうした構成の空気供給排出部３０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「空気供給部」に相当する。

水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給する機能と、燃料電池スタック２０から排出されるアノード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の上流側に、水素ガス供給配管５１と、水素タンク５２と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池スタック２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、水素ガス供給配管５１を介して燃料電池スタック２０のアノード側の入口に接続されている。

水素ガス供給配管５１には、さらに、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、水素タンク５２から水素供給装置５５への水素の流入を調整する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。

水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の下流側に、アノード排ガス用配管６１と、気液分離部６２と、水素ガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水用配管６５と、排水弁６６と、を備える。アノード排ガス用配管６１は、燃料電池スタック２０のアノード側の出口と気液分離部６２とを接続する配管である。

気液分離部６２は、水素ガス循環配管６３と、アノード排水用配管６５とに接続されている。アノード排ガス用配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分は水素ガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水用配管６５へと誘導される。

水素ガス循環配管６３は、水素ガス供給配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。水素ガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられている。水素循環用ポンプ６４は、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素を水素ガス供給配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。

水素ガス供給配管５１における水素ガス循環配管６３の接続先より下流側には、圧力センサ９６が設けられている。圧力センサ９６は、燃料電池スタック２０に供給される水素ガスの圧力Ｐ１を検出する。

アノード排水用配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部８０からの指令に応じて開閉する。制御部８０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水用配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス用配管４１に合流されている。こうした構成の水素ガス供給排出部５０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「燃料ガス供給部」に相当する。

冷媒循環部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、循環ポンプ７４と、を備える。冷媒用配管７１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の出口とラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の入口とラジエータ７２の出口とを接続する。

ラジエータ７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ７４は、下流側配管７１ｂに設けられており、冷媒は、循環ポンプ７４の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。

制御部８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部８０は、ＦＣ−ＥＣＵ８２と、ＦＤＣ−ＥＣＵ８４とを含んでいる。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、空気供給排出部３０、水素ガス供給排出部５０、および冷媒循環部７０の前述した構成部品を制御することによって、燃料電池スタック２０への水素ガスや空気の供給制御、燃料電池スタック２０からの排水制御、燃料電池スタック２０で発生した排熱の冷却制御を行う。ＦＤＣ−ＥＣＵ８４は、燃料電池スタック２０からの出力電圧を昇圧するＦＣ昇圧コンバータ（図示せず）を制御することによって、出力要求に応じた電力を燃料電池スタック２０に発電させる。

なお、空気供給排出部３０、水素ガス供給排出部５０、および冷媒循環部７０に含まれる各種のセンサ等、具体的には、エアフロメータ９５や、水素ガス供給排出部５０に備えられた圧力センサ９６等は、ＦＣ−ＥＣＵ８２に電気的に接続されている。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、エアフロメータ９５によって検出された空気流量Ｑａや、燃料電池スタック２０に供給される水素ガスの圧力Ｐ１を取得する。

ＦＣ−ＥＣＵ８２とＦＤＣ−ＥＣＵ８４とは、互いに、バスを介し、ＣＡＮ等の通信プロトコルに従い通信する。例えば、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ＦＤＣ−ＥＣＵ８４から電圧検出信号Ｖ１を通信によって取得する。燃料電池スタック２０と昇圧コンバータ（図示せず）との間には、燃料電池スタック２０から出力される電圧を検出する電圧センサ９８が備えられている。電圧センサ９８から出力される電圧検出信号Ｖ１は、ＦＤＣ−ＥＣＵ８４に送られる。ＦＤＣ−ＥＣＵ８４は、この電圧検出信号Ｖ１をＦＣ−ＥＣＵ８２に送る。ＦＣ−ＥＣＵ８２が、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「制御部」に相当する。電圧センサ９８とＦＤＣ−ＥＣＵ８４とが、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「電圧取得部」に相当する。

スタートスイッチ９０は、運転者によって操作される車両の起動スイッチであり、スタートスイッチ９０がオンされると、車両に搭載される燃料電池システム１００が始動し、スタートスイッチ９０がオフされると、燃料電池システム１００は停止される。すなわち、スタートスイッチ９０がオン状態に切り替えられると、スタートスイッチ９０は燃料電池システム１００を始動する旨の信号ＳＷ（＝"１"）を出力する。スタートスイッチ９０がオフ状態に切り替えられると、スタートスイッチ９０は燃料電池システム１００を停止する旨の信号ＳＷ（＝"０"）を出力する。スタートスイッチ９０は、制御部８０に接続されている。具体的には、スタートスイッチ９０は、ＦＣ−ＥＣＵ８２に接続されている。

Ｂ．燃料電池システム始動処理について：
図２は、ＦＣ−ＥＣＵ８２によって実行される燃料電池システム始動処理を示すフローチャートである。燃料電池システム始動処理は、燃料電池システム１００を始動する処理であり、スタートスイッチ９０から燃料電池システム１００を始動する旨の信号が取得された際、すなわち、スタートスイッチ９０から取得された信号ＳＷがオフ状態（＝"０"）からオン状態（＝"１"）に切り替えられた際に、実行開始される。

ＦＣ−ＥＣＵ８２は、まず、水素ガス供給排出部５０を起動する水素系起動処理を実行する（ステップＳ１００）。水素系起動処理が完了すると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、空気供給排出部３０を起動する空気系起動処理を実行する（ステップＳ２００）。空気系起動処理が完了すると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、空気系異常回復処理を実行する（ステップＳ３００）。ステップＳ３００の実行後、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、この燃料電池システム始動処理を終了する。なお、燃料電池システム始動処理で必要となる電力は、図示しないバッテリによって賄われる。

図３は、ステップＳ１００で実行される水素系起動処理の詳細を示すフローチャートである。水素系起動処理が実行開始されると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、まず、水素ガス供給排出部５０において、水素の供給を開始する（ステップＳ１１０）。具体的には、レギュレータ５４を開いて、水素供給装置５５を駆動すると共に、水素循環用ポンプ６４を駆動することによって、燃料電池スタック２０への水素の供給を開始する。

次いで、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、水素ガス供給排出部５０に備えられた圧力センサ９６から、燃料電池スタック２０に供給される水素ガスの圧力Ｐ１を取得し（ステップＳ１２０）、取得した圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上になったか否かを判定する（ステップＳ１３０）。所定値Ｐａは、予め定められた値であり、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給が完了したと推定し得る閾値として機能する。すなわち、ステップＳ１３０で、水素ガスの圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上になっていないと判定された場合、燃料電池スタック２０への燃料ガスの供給が完了していないと判断し、水素ガスの圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上になったと判定された場合、燃料電池スタック２０への燃料ガスの供給が完了したと判断する。「燃料ガスの供給が完了した」とは、燃料電池スタック２０の内部の水素ガス流路に十分に水素ガスが行き渡った状態をいい、実験的にあるいはシミュレーションによって所定値Ｐａは決定される。

ステップＳ１３０で水素ガスの圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上になっていないと判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ１２０に処理を戻して、水素ガスの圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上になるのを待つ。

ステップＳ１３０で水素ガスの圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上になったと判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ１４０に処理を進めて、水素漏れ検出処理を実行する。水素漏れ検出処理は、種々の方法を採用することができるが、本実施形態では、水素ガスの圧力低下を監視することによって、水素ガスの漏れを検出する。この方法では、水素ガス供給排出部５０に設けた図示しない複数の遮断弁を開いてステップＳ１１０〜Ｓ１３０の処理を行った後、水素供給装置５５を停止し、総ての遮断弁を閉じ、経過時間とともに圧力センサ９６で検出される圧力がどのように変化するかを監視する。一定値以上の圧力減少が観察された場合には、ガス漏れが発生していると判定する。なお、圧力変化によるガス漏れ検知の他に、ガス濃度センサによって水素ガスが所定の閾値以上の濃度に達しているか否かを判定することでガス漏れの存在を検出するように構成してもよい。

ステップＳ１４０で水素漏れ検出処理によって水素漏れが検出されない場合には、「リターン」に抜けて、水素系起動処理を完了する。水素漏れが検出された場合は、別ルーチンのエラー処理を行う。

本実施形態において、空気系起動処理を実行する前に水素系起動処理を完了するのは、空気系起動処理によって空気の供給を開始した際に、燃料電池スタック２０内において水素が欠乏することを防ぐためである。発電が生じた際に水素が欠乏すると、触媒劣化を引き起こす虞があるためで、これを防止している。

図４は、図２のステップＳ２００で実行される空気系起動処理の詳細を示すフローチャートである。空気系起動処理が実行開始されると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、まず、空気供給排出部３０において、空気の供給を開始する（ステップＳ２１０）。具体的には、エアコンプレッサ３３を吐出空気量が一定となるように駆動するとともに、調圧弁４３および分流弁３５を開弁制御する。

図５は、スタートスイッチがオン状態に切り替えられた以降の電圧検出信号Ｖ１、空気流量Ｑａ、分流弁開度Ｃ１、および調圧弁開度Ｃ２の時間変化を示すタイムチャートである。電圧検出信号Ｖ１は、電圧センサ９８（図１）によって検出されたものである。空気流量Ｑａは、エアフロメータ９５によって検出されたものである。分流弁開度Ｃ１は、分流弁３５における燃料電池スタック２０側のポートへの開弁比率であり、実験的にあるいはシミュレーションにより求めたものである。調圧弁開度Ｃ２は、調圧弁４３の開度であり、実験的にあるいはシミュレーションにより求めたものである。

図５に示すように、スタートスイッチ９０の信号ＳＷが、オフ状態（＝"０"）からオン状態（＝"１"）に切り替えられる。このとき（時刻ｔ１）に、水素系起動処理が実行開始され、水素系起動処理が完了したときに（時刻ｔ２）、空気系起動処理が実行開始される。なお、空気系起動処理が実行開始される前は、前回、燃料電池車両を運転した際の燃料電池スタック２０の停止時に、分流弁３５および調圧弁４３は閉じた状態となっている。これによって、空気系起動処理が実行開始されたときには、空気供給用配管３１における分流弁３５から、燃料電池スタック２０の内部の空気流路を介して、カソード排ガス用配管４１における調圧弁４３に至る範囲は、閉塞環境となっている。以下、この閉塞環境となった空気系の範囲を「空気系閉塞域」と呼ぶ。

空気系起動処理においては、エアコンプレッサ３３が吐出空気量が一定となるように駆動されることで、空気流量Ｑａは一定の値に維持される。また、分流弁３５が制御されて分流弁開度Ｃ１が一定の値Ｃａに切り替えられ、調圧弁４３が制御されて調圧弁開度Ｃ２が徐々に上昇する。

空気系起動処理においては、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、分流弁３５と調圧弁４３の制御を上述したように行い、最終段階として、分流弁３５と調圧弁４３を所望の開度にそれぞれ制御する処理を行う。「最終段階」とは、空気系起動処理において最終的に開度指令を行い、それ以後、空気系起動処理においては開度指令値を変化させない（すなわち、一定とする）段階である。「所望の開度」とは、燃料電池システム始動処理を完了して通常運転処理に移行した際に必要となる開度であり、分流弁３５と調圧弁４３とで個別の値である。

具体的には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、時刻ｔ３において、調圧弁４３に対して最終開度指令値Ｃ２Ｌを出力し、時刻ｔ４において、分流弁３５に対して最終開度指令値Ｃ１Ｌを出力する。本実施形態では、時刻ｔ３は、例えば、調圧弁開度Ｃ２が所定値以上となったタイミングである。時刻ｔ４は、例えば、スタートスイッチ９０がオン状態に切り替えられた時刻ｔ１からの経過時間が所定値に達したタイミングである。なお、時刻ｔ３，ｔ４は、これらの例示に限るものではなく、予め定めたシーケンスに基づくものであれば、上記例示以外のタイミングであってもよい。最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌは、例えば、共に１００％である。なお、最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌは、１００％に限る必要はなく、通常運転処理への移行に適した開度であればいずれの値に替えることもできる。

調圧弁開度Ｃ２は、時刻ｔ３から第２の所定時間Ｔｂを要して最終開度指令値Ｃ２Ｌに達する。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、最終開度指令値Ｃ２Ｌとともに駆動速度を調圧弁４３に対して指定しており、第２の所定時間Ｔｂは、最終開度指令値と駆動速度によって定まる。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、時刻ｔ３より後、空気系起動処理が完了するまで、調圧弁４３の開度を変更する指令を発することはない。

分流弁開度Ｃ１は、時刻ｔ４から第１の所定時間Ｔａを要して最終開度指令値Ｃ１Ｌに達する。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、最終開度指令値Ｃ１Ｌとともに駆動速度を分流弁３５に対して指定しており、第１の所定時間Ｔａは、最終開度指令値Ｃ１Ｌと駆動速度によって定まる。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、時刻ｔ４より後、空気系起動処理が完了するまで、分流弁３５の開度を変更する指令を発することはない。

なお、分流弁３５および調圧弁４３に対して最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌが出力された後は、前述したように開度指令値が変わることがなく、また、エアコンプレッサ３３の吐出空気量は一定であることから、空気系起動処理が終了するまで、燃料電池スタック２０への空気の供給量が大きく変化することはない、換言すれば、空気の供給量が安定した状態である。この分流弁３５および調圧弁４３に対して最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌが出力された後の期間が、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第２の期間」に相当する。

図４に戻り、ステップＳ２１０に続くステップＳ２２０では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、上述した調圧弁４３の最終開度指令値Ｃ２Ｌが出力されたか否かを判定する。続くステップＳ２３０では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、上述した分流弁３５の最終開度指令値Ｃ１Ｌが出力されたか否かを判定する。ステップＳ２２０およびステップＳ２３０のいずれかで出力されていないと判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ＦＤＣ−ＥＣＵ８４から電圧検出信号Ｖ１を取得し（ステップＳ２４０）、取得された電圧検出信号Ｖ１が所定値Ｖ０以上であるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。

所定値Ｖ０は、燃料電池スタック２０の発電が正常であることを診断するための閾値であり、例えば０．６Ｖに燃料電池スタック２０を構成する単セルの数を乗算した値である。ステップＳ２５０では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、取得された電圧検出信号Ｖ１が単セル当たり０．６Ｖ以上となったか否かを判定することによって、燃料電池スタック２０が正常に発電しているか否かを判定する。ステップＳ２５０で否定判定、すなわち、電圧検出信号Ｖ１が所定値Ｖ０を下回ると判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ２２０に処理を戻して、ステップＳ２２０以降の処理を繰り返し行う。

一方、ステップＳ２５０で肯定判定、すなわち、電圧検出信号Ｖ１が所定値Ｖ０以上であると判定された場合には、燃料電池スタック２０の起動に成功したとして、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、空気系異常ダイアグフラグＦＬに正常である旨を示す”０”をセットする（ステップＳ２６０）。ステップＳ２６０の実行後、「リターン」に抜けて、空気系起動処理を完了する。空気系異常ダイアグフラグＦＬは、燃料電池スタック２０の異常、特に空気系の異常を記憶するためのフラグである。

ステップＳ２２０およびステップＳ２３０の双方で最終開度指令値が出力されたと判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ２７０に処理を進めて、現時点での分流弁開度Ｃ１と調圧弁開度Ｃ２とを推定する。具体的には、分流弁３５の最終開度指令値Ｃ１Ｌが出力された時からの経過時間がタイマ(図示せず)によって測定されており、この経過時間と、最終開度指令値Ｃ１Ｌとともに分流弁３５に対して指定された駆動速度と、に基づいて、現時点での分流弁開度Ｃ１を算出する。また、調圧弁４３の最終開度指令値Ｃ２Ｌが出力された時からの経過時間がタイマ(図示せず)によって測定されており、この経過時間と、最終開度指令値Ｃ２Ｌとともに調圧弁４３に対して指定された駆動速度と、に基づいて、現時点での調圧弁開度Ｃ２を算出する。

続いて、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、エアフロメータ９５によって検出された空気流量Ｑａを取得し（ステップＳ２８０）、取得された空気流量Ｑａと、ステップＳ２７０で推定した分流弁開度Ｃ１および調圧弁開度Ｃ２と、に基づいて、燃料電池スタック２０に供給される空気流量（以下、「空気供給流量」と呼ぶ）Ｑｆを算出する（ステップＳ２９０）。具体的には、次の（ｉ）、（ii）の工程によって、空気流量Ｑａ、分流弁開度Ｃ１、および調圧弁開度Ｃ２から、空気供給流量Ｑｆを求めている。

（ｉ）ステップＳ２７０によって推定した分流弁開度Ｃ１と調圧弁開度Ｃ２とに基づいて、分流弁３５において燃料電池スタック２０側のポートへ分流される空気の比率Ｒ１を算出する。ここで、空気の比率Ｒ１とは、入力される全空気量に対する比率である。
（ii）算出された空気の比率Ｒ１をエアフロメータ９５によって検出された空気流量Ｑａに乗算することによって、燃料電池スタック２０に供給される空気供給流量Ｑｆを算出する。

エアフロメータ９５と、ＦＣ−ＥＣＵ８２によるステップＳ２７０からＳ２９０までの処理とによって、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「空気流量取得部」が構成される。続いて、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ２９０で算出された空気供給流量Ｑｆを積算する処理を行う（ステップＳ２９１）。具体的には、次式（１）に基づいて積算を行う。

ＴＱ←ＴＱ＋Ｑｆ …（１）
ただし、積算値ＴＱは、燃料電池システム始動処理の実行開始時には、値０にクリアされる変数である。

ステップＳ２９１の実行後、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、積算値ＴＱが所定値Ｑ０以上であるか否かを判定する（ステップＳ２９２）。所定値Ｑ０は、予め定められた空気量であり、空気供給用配管３１における分流弁３５から燃料電池スタック２０までの容積と、燃料電池スタック２０の内部に形成された空気流路の容積と、カソード排ガス用配管４１における燃料電池スタック２０から調圧弁４３までの容積との合計である。すなわち、前述した空気系閉塞域の容積が所定値Ｑ０である。

ステップＳ２９２で否定判定、すなわち、積算値ＴＱが所定値Ｑ０を下回ると判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ２７０に処理を戻して、ステップＳ２７０以降の処理を繰り返し行う。すなわち、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、積算値ＴＱが所定値Ｑ０以上となるまで、空気供給流量Ｑｆの積算を行う。

一方、ステップＳ２９２で肯定判定、すなわち、積算値ＴＱが所定値Ｑ０以上であると判定された場合には、先に説明した空気系閉塞域に空気が満たされたとして、ステップＳ２９３に処理を進める。ステップＳ２９３では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ＦＤＣ−ＥＣＵ８４から電圧検出信号Ｖ１を取得する。その後、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、取得された電圧検出信号Ｖ１が所定値Ｖ０以上であるか否かを判定する（ステップＳ２９４）。ステップＳ２９３およびＳ２９４の処理は、ステップＳ２４０およびＳ２５０の処理と同一である。

ステップＳ２９４で肯定判定、すなわち、電圧検出信号Ｖ１が所定値Ｖ０以上であると判定された場合には、燃料電池スタック２０の起動に成功したとして、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ２６０に処理を進めて、空気系異常ダイアグフラグＦＬに正常である旨を示す”０”をセットする。ステップＳ２６０の実行後、「リターン」に抜けて、空気系起動処理を完了する。

一方、ステップＳ２９４で否定判定、すなわち、電圧検出信号Ｖ１が所定値Ｖ０を下回ると判定された場合には、燃料電池スタック２０が正常に発電していない（すなわち、燃料電池スタック２０は異常である）として、空気系異常ダイアグフラグＦＬに異常である旨の”１”をセットする（ステップＳ２９５）。図５においては、時刻ｔ５が、燃料電池スタック２０が正常に発電していないと診断したタイミングである。図４のステップＳ２９５の実行後、「リターン」に抜けて、空気系起動処理を完了する。

図６は、ステップＳ３００で実行される空気系異常回復処理の詳細を示すフローチャートである。空気系異常回復処理が実行開始されると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、まず、前述した空気系起動処理において得られた空気系異常ダイアグフラグＦＬが”１”であるか否かを判定する（ステップＳ３１０）。ここで、空気系異常ダイアグフラグＦＬが”１”でないと判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、「リターン」に処理を進めて、空気系異常回復処理を終了する。

一方、ステップＳ３１０で、空気系異常ダイアグフラグＦＬが”１”であると判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、他のダイアグ情報が有るか否かを判定する（ステップＳ３２０）。他のダイアグ情報とは、空気系異常ダイアグフラグＦＬ以外のダイアログ情報であり、例えば、エアコンプレッサ異常ダイアログ情報、各センサ異常ダイアログ情報、水素系異常ダイアログ情報等が該当する。他のダイアグ情報が無いと判定された場合には、空気系異常ダイアグフラグＦＬが”１”となった原因が制御弁としての分流弁３５と調圧弁４３とにあると特定することが可能であることから、ステップＳ３３０に処理を進める。

ステップＳ３３０では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、分流弁３５を複数回（例えば、３回）開閉する処理を行う。続く、ステップＳ３４０では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、調圧弁４３を複数回（例えば、４回）開閉する処理を行う。

分流弁３５や調圧弁４３などの制御弁は、封止機能確保のために、ゴムシール部分を有する。このゴムシール部分が弁座に貼り付くことによって開弁不良が発生し、これが、制御弁が異常と診断される大きな原因となっている。そこで、ゴムシール部分が確実に引き剥がれる開度まで開弁し、その後、閉弁する。この開閉動作を複数回、繰り返す。ステップＳ３３０およびＳ３４０の開閉動作によって、シール部分を弁座から引き剥がすことが可能となる。すなわち、制御弁の開弁不良を修復することができる。繰り返しの回数は、前述したように３回（あるいは４回）としたが、３回（あるいは４回）に限る必要はなく、他の複数の回数としてもよい。

ステップＳ３３０およびＳ３４０の開閉動作は、制御弁の駆動力を最大にするために、駆動速度を下げた上で、駆動電圧を最大とするようにしている。なお、ステップＳ３３０とステップＳ３４０の処理は図示の都合から、ステップＳ３３０の後にステップＳ３４０を実行するように記載したが、実際は、ステップＳ３３０の分流弁３５の開閉動作と、ステップＳ３４０の調圧弁４３の開閉動作は、並列に行われる。

図５において、時刻ｔ５以後にステップＳ３３０およびＳ３４０の開閉動作が実行されたことで、分流弁開度Ｃ１および調圧弁開度Ｃ２は、下降および上昇を複数回、繰り返す。図６のステップＳ３４０の実行後、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、「リターン」に処理を進めて、空気系異常回復処理を終了する。ステップＳ３２０で、他のダイアグ情報が有ると判定された場合には、ステップＳ３３０およびＳ３４０を実行することなく、「リターン」に処理を進めて、空気系異常回復処理を終了する。

Ｃ．実施形態の作用・効果：
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック２０の始動の際に、水素系起動処理を行い、水素系起動処理が完了した後に、エアコンプレッサ３３を起動し空気の供給を開始する。そして、燃料電池スタック２０に供給される空気供給流量Ｑｆについての積算値ＴＱを算出し、算出した積算値ＴＱが所定値Ｑ０を超えた場合に、燃料電池スタック２０の電圧検出信号Ｖ１に基づく燃料電池システム１００の異常判定を行う。このため、冷間始動時にバッテリ保護の観点からエアコンプレッサ３３の駆動が抑制されたり、エアコンプレッサ３３にフリクションが発生したりしたことに起因して、空気の流量が十分に上昇しない場合にも、積算値ＴＱから、燃料電池スタック２０に空気の供給が十分になされたことを知ることができる。したがって、この燃料電池システム１００では、空気の流量が十分に上がらない場合にも、燃料電池システム１００が異常であるか否かを判定することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック２０への空気の供給量が大きく変化することのない期間において、積算値ＴＱの算出を行っていることから、燃料電池システム１００の異常の判定精度を向上することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００では、積算値ＴＱと比較する閾値である所定値Ｑ０が空気系閉塞域の容積と等しいことから、空気系閉塞域に十分に空気を供給することが可能となる。燃料電池システム１００を始動する前の燃料電池車両の停車中には、アノードに供給された水素が電解質膜をカソード側にリークするクロスリークが発生するが、上述したように空気系閉塞域に十分に空気を供給することで、このクロスリークした水素を燃料電池スタック２０の外側に確実に排出することができる。したがって、クロスリークによる発電性能の低下を防止することができる。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記実施形態では、積算値ＴＱと比較する閾値である所定値Ｑ０を、空気系閉塞域の容積と等しい値とした。これに対して、変形例として、所定値Ｑ０を、空気系閉塞域の容積の２倍、３倍としてもよい。さらに、他の倍数としてもよい。また、必ずしも正数の倍数である必要はなく、空気系閉塞域の容積以上の他の大きさに替えることもできる。さらに、所定値Ｑ０を、空気系閉塞域よりも小さい値、例えば、空気供給用配管３１における分流弁３５から燃料電池スタック２０までの容積と、燃料電池スタック２０の内部に形成された空気流路の容積と、の合計値としてもよい。

・変形例２：
前記実施形態では、図３の水素系起動処理が、水素漏れ検出処理を含む構成とした。これに対して、変形例として、水素漏れ検出処理を含まない構成としてもよい。

・変形例３：
前記実施形態では、燃料電池システム始動処理が、空気系異常回復処理を含む構成とした。これに対して、変形例として、空気系異常回復処理を含まない構成としてもよい。すなわち、燃料電池システム始動処理では、燃料電池スタック２０に異常があるか否かを判定し、その判定結果を空気系異常ダイアグフラグＦＬに記憶するまでの処理を行うものとし、制御弁を修復する処理までは実行しない構成としてもよい。

・変形例４：
前記実施形態では、図３の水素系起動処理において、燃料電池スタック２０に供給される水素ガスの圧力Ｐ１が所定値Ｐａ以上であるか否かを判定することによって、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給が完了したと推定し得るまでの期間に達したか否かを判定していた。これに対して、変形例として、水素ガス圧の供給時間が所定値以上であるか否かを判定する構成としてもよい。要は、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給が完了したと推定し得るまでの期間（第１の期間）を判定できる構成であれば、種々のパラメータから判定する構成に替えることもできる。

・変形例５：
前記実施形態では、エアフロメータ９５と、ＦＣ−ＥＣＵ８２によるステップＳ２７０からＳ２９０までの処理とによって、燃料電池に供給される空気の流量を取得する空気流量取得部を構成していた。これに対して、変形例として、空気供給用配管３１（図１参照）における分流弁３５から燃料電池スタック２０の入口までの区間に流量センサを設け、この流量センサの検出信号を取得する構成を、空気流量取得部としてもよい。

・変形例６：
前記実施形態では、空気系起動処理において、分流弁３５および調圧弁４３に対して最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌが出力された以後を第２の期間として、この第２の期間に空気流量についての積算値ＴＱを求める構成とした。これに対して、変形例として、最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌが出力されるよりも前から第２の期間を開始する、すなわち積算値の算出を開始する構成としてもよい。例えば、最終開度指令値Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌが確実に出力されるタイミングを、空気系起動処理が実行開始されてからの経過時間として予め実験的にあるいはシミュレーションによって求め、その経過時間よりも所定時間（例えば、１０ｓｅｃ）だけ短い時間が、空気系起動処理が実行開始されてから経過したときに、第２の期間を開始する構成としてもよい。例えば、分流弁３５および調圧弁４３に対して開弁する指令が発した時点（図５の例示によれば時刻ｔ２）から、第２期間を開始する構成としてもよい。

・変形例７：
前記実施形態では、制御部８０は、ＦＣ−ＥＣＵ８２と、ＦＤＣ−ＥＣＵ８４とを含む構成とし、ＦＣ−ＥＣＵ８２が、燃料電池システム始動処理を実行する構成とした。これに対して、変形例として、制御部８０を１つのＥＣＵによって構成してもよい。また、制御部８０は、３つ、４つ等の他の数のＥＣＵによって構成してもよい。さらに、制御部８０の替わりに備えられた別の制御部が、機能の一部としてＦＣ−ＥＣＵ８２の機能を備えていてもよい。

本発明は、上述の実施形態や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、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

２０…燃料電池スタック
３０…空気供給排出部
３１…空気供給用配管
３２…エアクリーナ
３３…エアコンプレッサ
３４…インタクーラ
３５…分流弁
３７…空気分流用配管
４１…カソード排ガス用配管
４３…調圧弁
４６…マフラー
５０…水素ガス供給排出部
５１…水素ガス供給配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
６１…アノード排ガス用配管
６２…気液分離部
６３…水素ガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水用配管
６６…排水弁
７０…冷媒循環部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７４…循環ポンプ
８０…制御部
８２…ＦＣ−ＥＣＵ
８４…ＦＤＣ−ＥＣＵ
９０…スタートスイッチ
９５…エアフロメータ
９６…圧力センサ
９８…電圧センサ
１００…燃料電池システム
Ｃ１…分流弁開度
Ｃ２…調圧弁開度
Ｃ１Ｌ…最終開度指令値
Ｃ２Ｌ…最終開度指令値
ＦＬ…空気系異常ダイアグフラグ
Ｑａ…空気流量
Ｑｆ…空気供給流量
ＴＱ…積算値
Ｔａ…第１の所定時間
Ｔｂ…第２の所定時間
Ｖ１…電圧検出信号

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池と、
   燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
   空気を前記燃料電池に供給する空気供給部と、
   前記燃料電池に供給される空気の流量を取得する空気流量取得部と、
   前記燃料電池の出力電圧を取得する電圧取得部と、
   前記燃料ガス供給部および前記空気供給部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池システムの始動の際に、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給が完了したと推定されるまでの第１の期間、前記燃料電池への燃料ガスの供給を行い、
   前記第１の期間が経過した後に、前記空気供給部によって前記空気の供給を開始し、
   前記空気の供給を開始した以後の予め定められた第２の期間に、前記空気流量取得部によって取得された前記流量についての積算値を算出し、
   算出した前記積算値が予め定められた空気量を超えた場合に、前記電圧取得部によって取得された前記出力電圧が予め定められた電圧を下回るとき、前記燃料電池システムは異常であると判定する、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であって、
   前記空気供給部は、
   圧縮した空気を吐出するエアコンプレッサと、
   前記燃料電池への空気の供給量を制御する制御弁と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記エアコンプレッサの吐出空気量が一定であり、かつ、前記制御弁に対する指令値が一定である期間を前記第２の期間として、前記積算値の算出を行う、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池システムが異常であると判定された場合に、前記制御弁を複数回、開閉動作させる、
   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であって、
   前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスについてのガス圧を検出する圧力センサを有し、
   前記制御部は、
   前記圧力センサによって検出されたガス圧が予め定められた値以上となったときに、前記第１の期間に達したと判定する、
   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であって、
   前記制御部は、
   前記第１の期間が経過したときから前記空気の供給を開始するまでの期間において、前記燃料ガス供給部からの水素漏れを検出する、
   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を備える、車両。

Images