JP6445989B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されると共に、複数の単セルが電気的に直列に接続されることで構成されている。そして、セル電圧モニタによって各単セルのセル電圧を監視する、もしくは複数のセル毎に電圧を監視することで、単セルが正常であるか否か判断している。因みに、一般に、水素濃度、酸素濃度が高くなると、セル電圧は高くなる。
ここで、セル電圧モニタが正常であるか否かは、燃料電池スタック内に検査可能な濃度の水素が供給されている状態で、セル電圧を検出することで判別可能である。すなわち、検査可能な濃度の水素、酸素が供給されているにも関わらず、セル電圧が正常な範囲でない場合、セル電圧モニタは正常でない、つまり、故障（断線故障等）していると判断される。なお、セル電圧モニタが正常であるか否かに係る判定（故障判定）は、燃料電池システムの起動毎に実行されることが望ましい。
ここで、システム起動時における水素の供給に関して、特許文献１では、燃料電池スタックに水素を加圧供給した後、コンタクタをＯＮして燃料電池スタックと外部の負荷とを電気的に接続し、その後、空気を加圧供給する技術が開示されている。
ところが、特許文献１では、水素、空気の加圧供給に時間を要するので、コンタクタのＯＮが遅れてしまい、起動時間が長くなっていた。また、特許文献１では、燃料電池スタックの全体の電圧（スタック電圧）を専用で検出する電圧センサを備えており、部品点数が多い。
そこで、本発明は、簡便な構成で、起動時間を短縮可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する複数の単セルが積層されることで構成された燃料電池スタックと、システム起動時において前記燃料電池スタック内に燃料ガスが残留しているか否か判定する残留判定部と、前記単セルのセル電圧を検出するセル電圧モニタと、前記燃料電池スタックと負荷とを電気的にＯＮ／ＯＦＦするコンタクタと、前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記セル電圧モニタが正常であるか否か判定するセル電圧モニタ判定部と、前記コンタクタを制御するコンタクタ制御部と、を備え、前記残留判定部が燃料ガスは残留していると判定した場合、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であるか否か判定し、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であると判定したとき、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記コンタクタ制御部が前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記コンタクタと前記負荷との間に設けられたコンデンサへのプリチャージが完了した否かを判定し、前記セル電圧モニタ判定部が前記プリチャージが完了したと判定したとき、新規の燃料ガスの供給前に前記コンタクタをＯＮし、前記コンタクタのＯＮ後に新規の燃料ガスの供給を開始することを特徴とする燃料電池システムである。
また、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する複数の単セルが積層されることで構成された燃料電池スタックと、システム起動時において前記燃料電池スタック内に燃料ガスが残留しているか否か判定する残留判定部と、前記単セルのセル電圧を検出するセル電圧モニタと、前記燃料電池スタックと負荷とを電気的にＯＮ／ＯＦＦするコンタクタと、前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記セル電圧モニタが正常であるか否か判定するセル電圧モニタ判定部と、前記コンタクタを制御するコンタクタ制御部と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記残留判定部が燃料ガスは残留していると判定した場合、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であるか否か判定し、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であると判定したとき、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記コンタクタ制御部が前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記コンタクタと前記負荷との間に設けられたコンデンサへのプリチャージが完了した否かを判定し、前記セル電圧モニタ判定部が前記プリチャージが完了したと判定したとき、新規の燃料ガスの供給前に前記コンタクタをＯＮし、前記コンタクタのＯＮ後に新規の燃料ガスの供給を開始することを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
ここで、起動時間とは、システムの起動信号（後記する実施形態では、ＩＧ６１のＯＮ信号）から、コンタクタがＯＮされ燃料電池スタックが外部の負荷と電気的に接続されるまでの時間を意味する。
このような構成によれば、残留判定部が燃料ガスは残留していると判定した場合、新規の燃料ガスの供給前、セル電圧モニタ判定部がセル電圧モニタは正常であるか否か判定し、セル電圧モニタ判定部がセル電圧モニタは正常であると判定したとき、新規の燃料ガスの供給前、コンタクタ制御部がセル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいてコンタクタをＯＮする。
すなわち、燃料ガスは残留している場合、その残留する燃料ガスを使用して、セル電圧モニタは正常であるか否か速やかに判定する。そして、セル電圧モニタは正常であるとき、コンタクタ制御部がセル電圧に基づいてコンタクタを速やかにＯＮする。これにより、起動時間が短縮される。
すなわち、燃料ガスは残留している場合、その残留する燃料ガスを使用して、セル電圧モニタは正常であるか否か速やかに判定する。そして、セル電圧モニタは正常であるとき、コンタクタ制御部がセル電圧に基づいてコンタクタを速やかにＯＮする。これにより、起動時間が短縮される。
また、コンタクタ制御部がセル電圧に基づいてコンタクタを速やかにＯＮするので、燃料電池スタックのスタック電圧を専用で検出する電圧センサは不要である。これにより、燃料電池システムの構成は簡便となる。
また、前記残留判定部は、ソーク時間に基づいて燃料ガスが残留しているか否か判定することが好ましい。
このような構成によれば、残留判定部は、ソーク時間に基づいて燃料ガスが残留しているか否か良好に判定できる。
また、新規の燃料ガスの供給前におけるセル電圧が異常である場合、前記セル電圧モニタ判定部は、新規の燃料ガスの供給後において、セル電圧が正常であるときに燃料ガスは封止されていなかったと判定し、セル電圧が異常であるときに前記セル電圧モニタは断線故障していると判定することが好ましい。
このような構成によれば、燃料電池スタックにおける燃料ガスの封止異常と、セル電圧モニタの故障とを区別できる。
また、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは故障していると判定した場合、燃料ガスが所定時間継続して供給された後、前記コンタクタ制御部は、前記コンタクタをＯＮすることが好ましい。
このような構成によれば、セル電圧モニタは故障していると判定されても、コンタクタ制御部が所定時間経過後コンタクタをＯＮすることで、燃料電池スタックと負荷とを電気的に接続できる。
本発明によれば、簡便な構成で、起動時間を短縮可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
本発明の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
燃料電池システム１は、燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、ＣＶＭ２０（Cell Voltage Monitor：セル電圧モニタ）と、アノード系と、カソード系と、電力制御系と、ＩＧ６１と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
燃料電池システム１は、燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、ＣＶＭ２０（Cell Voltage Monitor：セル電圧モニタ）と、アノード系と、カソード系と、電力制御系と、ＩＧ６１と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックである。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、アノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
燃料電池スタック１０は、複数の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックである。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、アノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための孔や溝が形成されている。この貫通孔及び溝は、アノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して酸素を含む空気を給排するための貫通孔や溝が形成されている。この貫通孔及び溝は、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
＜ＣＶＭ＞
ＣＶＭ２０は、単セル１１毎に接続された電圧センサ２１を備えており、各単セル１１のセル電圧を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。したがって、ＣＶＭ２０において、一部の電圧センサ２１が断線故障（オープンエラー）する場合がある。ここでは、電圧センサ２１の検出するセル電圧が−０．１Ｖ以下である場合（セル電圧≦−０．１Ｖ）、電圧センサ２１は故障していると判断される。
ＣＶＭ２０は、単セル１１毎に接続された電圧センサ２１を備えており、各単セル１１のセル電圧を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。したがって、ＣＶＭ２０において、一部の電圧センサ２１が断線故障（オープンエラー）する場合がある。ここでは、電圧センサ２１の検出するセル電圧が−０．１Ｖ以下である場合（セル電圧≦−０．１Ｖ）、電圧センサ２１は故障していると判断される。
そして、ＥＣＵ７０は、入力されたセル電圧に基づいて、最低セル電圧、平均セル電圧を算出するようになっている。また、ＥＣＵ７０は、複数のセル電圧を総和し、燃料電池スタック１０の全体電圧であるスタック電圧を算出するようになっている。すなわち、スタック電圧の検出専用の電圧センサは省略されており、部品点数の削減、低コスト化、軽量化が図られている。
＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排する系である。アノード系は、水素タンク３１と、遮断弁３２と、パージ弁３３と、を備えている。
アノード系は、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排する系である。アノード系は、水素タンク３１と、遮断弁３２と、パージ弁３３と、を備えている。
水素タンク３１は、配管３１ａ、遮断弁３２、配管３２ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。遮断弁３２は、ＥＣＵ７０によって開閉制御される常閉型の電磁弁であり、ＥＣＵ７０によって開かれると、水素タンク３１の水素が配管３１ａ等を通ってアノード流路１２に供給されるようになっている。配管３２ａには、水素タンク３１からのＥＣＵ７０の指令に従って噴射し、水素の圧力を調整するインジェクタ（図示しない）が設けられている。
アノード流路１２の出口は配管３２ｂを介して配管３２ａに接続されており、アノードオフガスが配管３２ｂを通って配管３２ａに戻り、水素が循環するように構成されている。配管３２ｂは、配管３３ａ、パージ弁３３、配管３３ｂを介して、配管４３ｂに接続されている。パージ弁３３は、ＥＣＵ７０によって開閉制御される常閉型の電磁弁であり、ＥＣＵ７０によって開かれると、配管３２ｂのガスが、配管３３ａ等を通って、配管４３ｂに排出されるようになっている。
そして、ＩＧ６１がオフされ、燃料電池システム１の停止中であるソーク中（発電停止中）、遮断弁３２及びパージ弁３３は閉じられる構成となっている。このように、遮断弁３２、パージ弁３３が閉じている状態では、アノード流路１２は車外（外部）と遮断され、アノード流路１２は封止された状態となり、アノード流路１２の水素はそのまま残留し易くなる。ただし、アノード流路１２に残留する水素の一部は、電解質膜を透過してカソード流路１３に流出したり、燃料電池スタック１０の微小隙間を通って車外に流出したりするので、水素の濃度は徐々に低下する。
＜カソード系＞
カソード系は、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排する系である。カソード系は、コンプレッサ４１と、上流側封止弁４２と、下流側封止弁４３と、を備えている。
カソード系は、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排する系である。カソード系は、コンプレッサ４１と、上流側封止弁４２と、下流側封止弁４３と、を備えている。
コンプレッサ４１は、配管４１ａ、上流側封止弁４２、配管４２ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。上流側封止弁４２、下流側封止弁４３は、ＥＣＵ７０によって開閉制御される常閉型の電磁弁である。コンプレッサ４１は車外の空気を吸気して吐出し、この空気は、開かれた上流側封止弁４２等を通って、カソード流路１３に供給されるようになっている。
カソード流路１３の出口には、配管４３ａ、下流側封止弁４３、配管４３ｂが順に接続されている。そして、カソードオフガスは、開かれた下流側封止弁４３等を通って、車外に排出されるようになっている。
そして、ＩＧ６１がオフされ、燃料電池システム１の停止中であるソーク中（発電停止中）、上流側封止弁４２、下流側封止弁４３は閉じられる構成となっている。このように、上流側封止弁４２、下流側封止弁４３が閉じている状態では、カソード流路１３は車外（外部）と遮断され、カソード流路１３は封止された状態となる。
＜電力制御系＞
電力制御系は、燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、燃料電池スタック１０の電力を制御し、モータ１１０に出力する系である。モータ１１０は、電力が供給されることで駆動力を発生する電動式のモータである。
電力制御系は、燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、燃料電池スタック１０の電力を制御し、モータ１１０に出力する系である。モータ１１０は、電力が供給されることで駆動力を発生する電動式のモータである。
電力制御系は、メインコンタクタ５１と、サブコンタクタ５２と、プリチャージコンタクタ５３と、プリチャージ抵抗５４と、電力制御器５５と、コンデンサ５６と、電圧センサ５７と、を備えている。
燃料電池スタック１０のプラス端子１４は、メインコンタクタ５１を介して、電力制御器５５のプラス端子５５ａに接続されている。燃料電池スタック１０のマイナス端子１５は、サブコンタクタ５２を介して、電力制御器５５のマイナス端子５５ｂに接続されている。プリチャージコンタクタ５３及びプリチャージ抵抗５４は、燃料電池スタック１０のプラス側において、メインコンタクタ５１と並列に接続されている。
メインコンタクタ５１、サブコンタクタ５２及びプリチャージコンタクタ５３は、ＥＣＵ７０によってＯＮ／ＯＦＦ（接続／切断）制御されるスイッチである。プリチャージコンタクタ５３は、燃料電池スタック１０及び電力制御器５５の接続時においてメインコンタクタ５１よりも先にＯＮされることで、電力制御器５５に大きな電流が急に流れることを防止するスイッチである。
電力制御器５５は、ＥＣＵ７０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御し、モータ１１０に出力する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えている。
コンデンサ５６は、メインコンタクタ５１（プリチャージコンタクタ５３）、サブコンタクタ５２と、電力制御器５５との間に設けられている。コンデンサ５６は、電力制御器５５に入力される電圧を安定させるコンデンサである。
電圧センサ５７は、メインコンタクタ５１（プリチャージコンタクタ５３）、サブコンタクタ５２の出力側（電力制御器５５側）の出力側電圧を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
＜ＩＧ＞
ＩＧ６１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。ＩＧ６１は、ＯＮ信号／ＯＦＦ信号をＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ＩＧ６１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。ＩＧ６１は、ＯＮ信号／ＯＦＦ信号をＥＣＵ７０に出力するようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
＜ＥＣＵ−残留判定機能＞
ＥＣＵ７０（残留判定部）は、システム起動時、アノード流路１２に水素が、カソード流路１３に空気（酸素）が残留しているか否か判定する機能を備えている。
ＥＣＵ７０（残留判定部）は、システム起動時、アノード流路１２に水素が、カソード流路１３に空気（酸素）が残留しているか否か判定する機能を備えている。
＜ＥＣＵ−セル電圧モニタ判定機能＞
ＥＣＵ７０（セル電圧モニタ判定部）は、セル電圧モニタが正常であるか否か判定する機能を備えている。
ＥＣＵ７０（セル電圧モニタ判定部）は、セル電圧モニタが正常であるか否か判定する機能を備えている。
＜ＥＣＵ−コンタクタ制御機能＞
ＥＣＵ７０（コンタクタ制御部）は、メインコンタクタ５１と、サブコンタクタ５２と、プリチャージコンタクタ５３とをＯＮ／ＯＦＦ制御する機能を備えている。
ＥＣＵ７０（コンタクタ制御部）は、メインコンタクタ５１と、サブコンタクタ５２と、プリチャージコンタクタ５３とをＯＮ／ＯＦＦ制御する機能を備えている。
≪燃料電池システムの動作≫
燃料電池システム１の動作について、図２、図３を参照して説明する。
なお、初期状態において、ＩＧ６１はＯＦＦ状態であり、燃料電池システム１はソーク中（システム停止中）である。ソーク中において、遮断弁３２、パージ弁３３は閉じており、アノード流路１２は封止されている。よって、アノード流路１２に水素が残留している可能性がある。また、ソーク中において、上流側封止弁４２、下流側封止弁４３は閉じており、カソード流路１３は封止されている。また、ソーク中において、メインコンタクタ５１、サブコンタクタ５２及びプリチャージコンタクタ５３はＯＦＦされており、燃料電池スタック１０は外部と電気的に切断されている。そして、ＩＧ６１がＯＮされると、ＥＣＵ７０は図２の処理を開始する。
燃料電池システム１の動作について、図２、図３を参照して説明する。
なお、初期状態において、ＩＧ６１はＯＦＦ状態であり、燃料電池システム１はソーク中（システム停止中）である。ソーク中において、遮断弁３２、パージ弁３３は閉じており、アノード流路１２は封止されている。よって、アノード流路１２に水素が残留している可能性がある。また、ソーク中において、上流側封止弁４２、下流側封止弁４３は閉じており、カソード流路１３は封止されている。また、ソーク中において、メインコンタクタ５１、サブコンタクタ５２及びプリチャージコンタクタ５３はＯＦＦされており、燃料電池スタック１０は外部と電気的に切断されている。そして、ＩＧ６１がＯＮされると、ＥＣＵ７０は図２の処理を開始する。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、直前のソーク時間が所定ソーク時間以内であるか否か判定する。所定ソーク時間は、アノード流路１２に水素が良好に残留しており、新規水素を供給せずに、ＣＶＭ２０が正常であるか否か判断可能な時間である。すなわち、所定ソーク時間は、事前試験、シミュレーション等によって、水素濃度が所定水素濃度以上であり、酸素濃度が所定酸素濃度以上であると推定される時間に設定される。
直前のソーク時間が所定ソーク時間以内であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。直前のソーク時間が所定ソーク時間以内でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０１に進む。この他、直前のソーク中にアノード流路１２が掃気され、水素が排出されている場合や、燃料電池スタック１０の封止が解除され、アノード側の水素濃度が封止状態と比較して減少する可能性がある場合は、ソーク時間が所定ソーク時間以内であっても、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０１に進む構成とする。また、ＩＧ６１のＯＦＦ中に、遮断弁３２が開かれ、アノード流路１２に供給された場合、新規水素が供給された時から直前のソーク時間とする。
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、正常に封止されているか否か判定する。具体的には、最低セル電圧が所定最低セル電圧（例えば、−０．１Ｖ）以上である場合、正常に封止されていると判定される。アノード流路１２が封止されていないと、アノードの電位がカソードの電位よりも低くなり、負電位となる可能性があるからである。
正常に封止されていると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。正常に封止されていないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０１に進む。
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、ＣＶＭ２０が正常であるか否か判定する。具体的には、ＥＣＵ７０は、ＣＶＭ２０を構成する電圧センサ２１の全てが正常であるか否か判定する。各電圧センサ２１の検出するセル電圧について、「−０．１Ｖ＜セル電圧」の場合、全ての電圧センサ２１が正常であり、ＣＶＭ２０は正常であると判定される。一方、「セル電圧≦−０．１Ｖ」の場合、電圧センサ２１は断線故障し、ＣＶＭ２０が正常でない判定する。
ＣＶＭ２０が正常であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。ＣＶＭ２０が正常でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１１に進む。
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、プリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮする。これにより、燃料電池スタック１０とコンデンサ５６とが電気的に接続されるので、電圧センサ５７の検出する出力側電圧が上昇し始める。
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４でプリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮした後、所定時間経過したか否か判定する。所定時間は、ＣＶＭ２０の検出するセル電圧の総和であるスタック電圧と、電力制御器５５に印加される出力側電圧（印加電圧）とが略等しくなると推定される時間に設定される。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０５の判定を繰り返す。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、コンデンサ５６へのプリチャージが完了したか否か判定する。具体的には、電圧センサ５７の検出する出力側電圧と、ＣＶＭ２０の検出するセル電圧の総和であるスタック電圧とが等しい場合、プリチャージは完了したと判定する。一方、出力側電圧とスタック電圧とが等しくない場合、プリチャージは完了していないと判定する。
プリチャージは完了したと判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。プリチャージは完了していないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０６の判定を繰り返す。
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、メインコンタクタ５１をＯＮし、プリチャージコンタクタ５３をＯＦＦする。
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、水素、空気の供給を開始する。具体的には、ＥＣＵ７０は、遮断弁３２を開き、水素タンク３１の新規水素をアノード流路１２に供給する。また、ＥＣＵ７０は、上流側封止弁４２及び下流側封止弁４３を開いた後、コンプレッサ４１を作動させ、新規空気をカソード流路１３に供給する。このようにして、新規水素が供給されるので、スタック電圧はさらに上昇する。
なお、例えば、ＥＣＵ７０は、配管３２ａに取り付けられた圧力センサ（図示しない）の検出する実水素圧力が所定水素圧力以上である場合、水素が実際に供給されていると判断する。
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７０は、スタック電圧が良好に上昇したか否か判定する。ここでは、平均セル電圧が所定平均セル電圧（例えば、０．９Ｖ）以上である場合、スタック電圧が良好に上昇したと判定する。
スタック電圧は良好に上昇したと判定した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１０に進む。スタック電圧は良好に上昇していないと判定した場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０９の判定を繰り返す。
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の起動を許可する。つまり、ＥＣＵ７０は、要求負荷（アクセル開度）に対応しての燃料電池スタック１０の発電を許可する。これにより、起動許可までの一連の処理は終了する。
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３で断線故障していると判定された電圧センサ２１の検出する電圧として、代替値である代替セル電圧を設定する。代替セル電圧は、単セル１１及び電圧センサ２１が正常である場合に検出されるセル電圧の範囲（正常セル電圧範囲、０〜１．１Ｖ等）よりも高い電圧（例えば、１．２Ｖ）に設定される。このように、代替セル電圧を設定するので、ステップＳ１０９等において平均セル電圧を良好に算出できる。また、代替セル電圧を用いず、正常なセル電圧から平均セル電圧を算出し、セル積層数を積算して総電圧を推定しても良い。
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４と同様に、プリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮする。
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５と同様に、ステップＳ１１２でプリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮした後、所定時間経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１１３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１１３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１１３の判定を繰り返す。
この他、ステップＳ１１１の後、新規水素、新規空気の供給を開始しながら、メインコンタクタ５１をＯＮ、プリチャージコンタクタ５３をＯＦＦし、ステップＳ１０９に進む構成としてもよい。
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０８と同様に、水素、空気の供給を開始する。これにより、アノード流路１２に新規水素が供給され、カソード流路１３に新規空気が供給され、セル電圧が上昇する。
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３と同様に、ＣＶＭ２０が正常であるか否か判定する。
ＣＶＭ２０が正常であると判定した場合（Ｓ２０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０３に進む。なお、ステップＳ１０２・Ｎｏを経由して、ステップＳ２０３に進む場合、ＣＶＭ２０は正常であるが、封止異常であると判断される状態である。
ＣＶＭ２０が正常でない（断線故障している）と判定した場合（Ｓ２０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０７に進む。
ＣＶＭ２０が正常でない（断線故障している）と判定した場合（Ｓ２０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４と同様に、プリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮする。
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５と同様に、ステップＳ２０３でプリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮした後、所定時間経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ２０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０５に進む。所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ２０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ２０４の判定を繰り返す。
ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０６と同様に、コンデンサ５６へのプリチャージが完了したか否か判定する。
プリチャージは完了したと判定した場合（Ｓ２０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０６に進む。プリチャージは完了していないと判定した場合（Ｓ２０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ２０５の判定を繰り返す。
ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０７と同様に、メインコンタクタ５１をＯＮし、プリチャージコンタクタ５３をＯＦＦする。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０９に進む。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０９に進む。
ステップＳ２０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１１１と同様に、ステップＳ２０２で断線故障していると判定された電圧センサ２１の検出する電圧として、代替値である代替セル電圧を設定する。
ステップＳ２０８において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４と同様に、プリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮする。
ステップＳ２０９において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５と同様に、ステップＳ２０７でプリチャージコンタクタ５３及びサブコンタクタ５２をＯＮした後、所定時間経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ２０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０６に進み、メインコンタクタ６１をＯＮする。所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ２０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ２０９の判定を繰り返す。
≪燃料電池システムの効果≫
燃料電池システム１の効果を説明する。
システム起動時、水素は残留していると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、新規水素の供給前、ＣＶＭ２０が正常であると判定したとき（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、新規水素の供給前、ＣＶＭ２０の検出するセル電圧の総和に基づいてメインコンタクタ５１をＯＮするので（Ｓ１０６・Ｙｅｓ、Ｓ１０７）、起動時間が短縮される。燃料電池スタック１０のスタック電圧を専用で検出する電圧センサは不要であるので、システムの構成は簡便となる。
燃料電池システム１の効果を説明する。
システム起動時、水素は残留していると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、新規水素の供給前、ＣＶＭ２０が正常であると判定したとき（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、新規水素の供給前、ＣＶＭ２０の検出するセル電圧の総和に基づいてメインコンタクタ５１をＯＮするので（Ｓ１０６・Ｙｅｓ、Ｓ１０７）、起動時間が短縮される。燃料電池スタック１０のスタック電圧を専用で検出する電圧センサは不要であるので、システムの構成は簡便となる。
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更してもよい。
前記した実施形態では、ＣＶＭ２０を構成する電圧センサ２１が１つの単セル１１毎に設けられた構成を例示したが、その他に例えば、２つの単セル１１毎に設けられる構成でもよい。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１１ 単セル
２０ ＣＶＭ
２１ 電圧センサ
５１ メインコンタクタ
５２ サブコンタクタ
５３ プリチャージコンタクタ
７０ ＥＣＵ（残留判定部、セル電圧モニタ判定部、コンタクタ制御部）
１０ 燃料電池スタック
１１ 単セル
２０ ＣＶＭ
２１ 電圧センサ
５１ メインコンタクタ
５２ サブコンタクタ
５３ プリチャージコンタクタ
７０ ＥＣＵ（残留判定部、セル電圧モニタ判定部、コンタクタ制御部）
Claims (5)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する複数の単セルが積層されることで構成された燃料電池スタックと、
システム起動時において前記燃料電池スタック内に燃料ガスが残留しているか否か判定する残留判定部と、
前記単セルのセル電圧を検出するセル電圧モニタと、
前記燃料電池スタックと負荷とを電気的にＯＮ／ＯＦＦするコンタクタと、
前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記セル電圧モニタが正常であるか否か判定するセル電圧モニタ判定部と、
前記コンタクタを制御するコンタクタ制御部と、
を備え、
前記残留判定部が燃料ガスは残留していると判定した場合、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であるか否か判定し、
前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であると判定したとき、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記コンタクタ制御部が前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記コンタクタと前記負荷との間に設けられたコンデンサへのプリチャージが完了した否かを判定し、
前記セル電圧モニタ判定部が前記プリチャージが完了したと判定したとき、新規の燃料ガスの供給前に前記コンタクタをＯＮし、前記コンタクタのＯＮ後に新規の燃料ガスの供給を開始する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記残留判定部は、ソーク時間に基づいて燃料ガスが残留しているか否か判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 新規の燃料ガスの供給前におけるセル電圧が異常である場合、前記セル電圧モニタ判定部は、新規の燃料ガスの供給後において、セル電圧が正常であるときに燃料ガスは封止されていなかったと判定し、セル電圧が異常であるときに前記セル電圧モニタは断線故障していると判定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは故障していると判定した場合、
燃料ガスが所定時間継続して供給された後、前記コンタクタ制御部は、前記コンタクタをＯＮする
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する複数の単セルが積層されることで構成された燃料電池スタックと、
システム起動時において前記燃料電池スタック内に燃料ガスが残留しているか否か判定する残留判定部と、
前記単セルのセル電圧を検出するセル電圧モニタと、
前記燃料電池スタックと負荷とを電気的にＯＮ／ＯＦＦするコンタクタと、
前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記セル電圧モニタが正常であるか否か判定するセル電圧モニタ判定部と、
前記コンタクタを制御するコンタクタ制御部と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記残留判定部が燃料ガスは残留していると判定した場合、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であるか否か判定し、
前記セル電圧モニタ判定部が前記セル電圧モニタは正常であると判定したとき、システムの起動後の新規の燃料ガスの供給前に、前記コンタクタ制御部が前記セル電圧モニタの検出するセル電圧に基づいて前記コンタクタと前記負荷との間に設けられたコンデンサへのプリチャージが完了した否かを判定し、
前記セル電圧モニタ判定部が前記プリチャージが完了したと判定したとき、新規の燃料ガスの供給前に前記コンタクタをＯＮし、前記コンタクタのＯＮ後に新規の燃料ガスの供給を開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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