JP7208287B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - 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制御方法に関する。
従来、例えば発電停止時に封止されたアノード系内の圧力の変化に応じて、アノードとカソードとの間での燃料又は酸化剤の透過異常（クロスリーク）の有無を判定する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、上記した燃料電池システムでは、アノード系内の圧力のみを検出することから、例えばアノード系内の配管等で漏れがある場合には、クロスリークの有無を精度良く判定することができないという問題が生じる。
本発明は、クロスリークの有無を精度良く判定することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システム（例えば、実施形態での燃料電池システム１０）は、アノード（例えば、実施形態でのアノード１１ｂ）に供給される燃料及びカソード（例えば、実施形態でのカソード１１ｃ）に供給される酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記アノードに通じるとともに前記燃料が流通するアノード流路（例えば、実施形態でのアノード配管４３）の開閉を切り替えるアノード開閉部（例えば、実施形態でのアノード排出弁５１）と、前記カソードに通じるとともに前記酸化剤が流通するカソード流路（例えば、実施形態でのカソード配管４１）の開閉を切り替えるカソード開閉部（例えば、実施形態でのカソード供給弁５３、カソード排出弁５５）と、前記アノード流路での前記燃料の圧力を検出するアノード圧力検出部（例えば、実施形態でのアノード圧力センサ６１）と、前記カソード流路での前記酸化剤の圧力を検出するカソード圧力検出部（例えば、実施形態でのカソード圧力センサ６３）と、前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部の各々の開閉の切り替えを制御するとともに、前記燃料電池の発電の停止状態にて前記アノード圧力検出部及び前記カソード圧力検出部によって検出される前記燃料の圧力と前記酸化剤の圧力との差である圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間での前記燃料又は前記酸化剤の透過異常であるクロスリークの有無を判定する制御部（例えば、実施形態での制御装置２１）と、を備える。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システム（例えば、実施形態での燃料電池システム１０）は、アノード（例えば、実施形態でのアノード１１ｂ）に供給される燃料及びカソード（例えば、実施形態でのカソード１１ｃ）に供給される酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記アノードに通じるとともに前記燃料が流通するアノード流路（例えば、実施形態でのアノード配管４３）の開閉を切り替えるアノード開閉部（例えば、実施形態でのアノード排出弁５１）と、前記カソードに通じるとともに前記酸化剤が流通するカソード流路（例えば、実施形態でのカソード配管４１）の開閉を切り替えるカソード開閉部（例えば、実施形態でのカソード供給弁５３、カソード排出弁５５）と、前記アノード流路での前記燃料の圧力を検出するアノード圧力検出部（例えば、実施形態でのアノード圧力センサ６１）と、前記カソード流路での前記酸化剤の圧力を検出するカソード圧力検出部（例えば、実施形態でのカソード圧力センサ６３）と、前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部の各々の開閉の切り替えを制御するとともに、前記燃料電池の発電の停止状態にて前記アノード圧力検出部及び前記カソード圧力検出部によって検出される前記燃料の圧力と前記酸化剤の圧力との差である圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間での前記燃料又は前記酸化剤の透過異常であるクロスリークの有無を判定する制御部（例えば、実施形態での制御装置２１）と、を備える。
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムは、前記アノード流路に前記燃料を供給する燃料供給部（例えば、実施形態での燃料供給部１５）と、前記カソード流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部（例えば、実施形態でのエアポンプ１３）と、を備え、前記制御部は、前記燃料供給部による前記燃料の供給及び前記酸化剤供給部による前記酸化剤の供給を停止することによって前記燃料電池の内部に残留する前記燃料及び前記酸化剤による発電を実行させた後に、前記アノード開閉部を開状態及び前記カソード開閉部を閉状態に設定するとともに前記燃料供給部による前記燃料の供給を実行する状態にて、前記圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて前記クロスリークの有無を判定してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システムは、複数の前記燃料電池と、複数の前記アノード開閉部と、複数の前記カソード開閉部と、複数の前記アノード圧力検出部と、複数の前記カソード圧力検出部と、を備え、前記制御部は、前記複数の前記燃料電池の発電の停止状態にて前記複数の前記燃料電池の各々で前記圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて前記クロスリークの有無を判定し、前記複数の前記燃料電池の少なくともいずれかの発電を実行させる際に、前記クロスリークが有ると判定した前記燃料電池に対応する前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部を閉状態に設定し、前記クロスリークが無いと判定した前記燃料電池の発電を実行させてもよい。
（４）上記（３）に記載の燃料電池システムは、前記複数の前記燃料電池の前記アノード流路に前記燃料を供給する燃料供給部（例えば、実施形態での燃料供給部１５）と、前記複数の前記燃料電池の前記カソード流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部（例えば、実施形態でのエアポンプ１３）と、を備え、前記制御部は、出力要求に応じて前記複数の前記燃料電池の各々の発電実行及び発電停止を設定するとともに、前記燃料供給部による前記燃料の供給及び前記酸化剤供給部による前記酸化剤の供給を停止することによって前記複数の前記燃料電池の各々の内部に残留する前記燃料及び前記酸化剤による発電を実行させた後に、前記複数の前記アノード開閉部を開状態及び前記複数の前記カソード開閉部を閉状態に同時的に設定するとともに前記燃料供給部による前記燃料の供給を実行する状態にて、前記複数の前記燃料電池の各々で前記圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて前記クロスリークの有無を判定してもよい。
（５）本発明の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は、アノード（例えば、実施形態でのアノード１１ｂ）に供給される燃料及びカソード（例えば、実施形態でのカソード１１ｃ）に供給される酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記アノードに通じるとともに前記燃料が流通するアノード流路（例えば、実施形態でのアノード配管４３）の開閉を切り替えるアノード開閉部（例えば、実施形態でのアノード排出弁５１）と、前記カソードに通じるとともに前記酸化剤が流通するカソード流路（例えば、実施形態でのカソード配管４１）の開閉を切り替えるカソード開閉部（例えば、実施形態でのカソード供給弁５３、カソード排出弁５５）と、前記アノード流路での前記燃料の圧力を検出するアノード圧力検出部（例えば、実施形態でのアノード圧力センサ６１）と、前記カソード流路での前記酸化剤の圧力を検出するカソード圧力検出部（例えば、実施形態でのカソード圧力センサ６３）と、前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部の各々の開閉の切り替えを制御する制御部（例えば、実施形態での制御装置２１）と、を備える燃料電池システム（例えば、実施形態での燃料電池システム１０）の制御方法であって、前記制御部が、前記燃料電池の発電の停止状態にて前記アノード圧力検出部及び前記カソード圧力検出部によって検出される前記燃料の圧力及び前記酸化剤の圧力の差である圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間での前記燃料又は前記酸化剤の透過異常であるクロスリークの有無を判定するステップ（例えば、実施形態でのステップＳ０３～ステップＳ０６）を含む。
上記（１）によれば、アノード圧力検出部及びカソード圧力検出部によって検出される燃料の圧力及び酸化剤の圧力に基づいて、クロスリークの有無を判定する制御部を備えることによって、クロスリークの判定精度を向上させることができる。例えばアノードの圧力又はカソードの圧力のみに基づいてクロスリークを判定する場合に比べて、配管等での漏れを除外することができ、アノードとカソードとの間での燃料又は酸化剤の透過異常を精度良く判定することができる。
上記（２）の場合、燃料電池の内部に残留する燃料及び酸化剤による発電を実行させた後にクロスリークの有無を判定する制御部を備えることによって、アノード圧力検出部及びカソード圧力検出部によって検出される燃料の圧力及び酸化剤の圧力の圧力差を検出し易くすることができる。
上記（３）の場合、クロスリークが有ると判定した燃料電池から他の燃料電池（つまりクロスリークが無いと判定した燃料電池）への燃料又は酸化剤の漏れを防ぎつつ、適正な発電を継続することができる。
上記（４）の場合、発電実行の燃料電池及び発電停止の燃料電池が存在する場合であっても、複数の燃料電池に対して同時的にクロスリークの有無を判定することができ、複数の燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給制御の効率を向上させることができる。
上記（５）によれば、アノード圧力検出部及びカソード圧力検出部によって検出される燃料の圧力及び酸化剤の圧力に基づいて、クロスリークの有無を判定することによって、クロスリークの判定精度を向上させることができる。例えばアノードの圧力又はカソードの圧力のみに基づいてクロスリークを判定する場合に比べて、配管等での漏れを除外することができ、アノードとカソードとの間での燃料又は酸化剤の透過異常を精度良く判定することができる。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態での燃料電池システム１０の構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、実施形態の燃料電池システム１０は、複数の燃料電池スタック１１と、エアポンプ１３と、燃料供給部１５と、複数のバルブ１７と、複数の圧力センサ１９と、制御装置２１とを備える。
図１に示すように、実施形態の燃料電池システム１０は、複数の燃料電池スタック１１と、エアポンプ１３と、燃料供給部１５と、複数のバルブ１７と、複数の圧力センサ１９と、制御装置２１とを備える。
複数の燃料電池スタック１１は、例えば、第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３３を備える。各燃料電池スタック１１は、例えば、固体高分子形燃料電池である。固体高分子形燃料電池は、積層された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートとを備える。燃料電池セルは、電解質電極構造体と、電解質電極構造体を挟み込む一対のセパレータとを備える。電解質電極構造体は、固体高分子電解質膜１１ａと、固体高分子電解質膜１１ａを挟み込む燃料極１１ｂ及び酸素極１１ｃとを備える。固体高分子電解質膜１１ａは、陽イオン交換膜等を備える。燃料極（アノード）１１ｂは、アノード触媒及びガス拡散層等を備える。酸素極（カソード）１１ｃは、カソード触媒及びガス拡散層等を備える。
各燃料電池スタック１１は、燃料供給部１５からアノード１１ｂに供給される水素を含む燃料ガスと、エアポンプ１３からカソード１１ｃに供給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの触媒反応によって発電する。
各燃料電池スタック１１は、燃料供給部１５からアノード１１ｂに供給される水素を含む燃料ガスと、エアポンプ１３からカソード１１ｃに供給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの触媒反応によって発電する。
エアポンプ１３は、複数の燃料電池スタック１１の各々のカソード１１ｃに通じるカソード配管４１に接続されている。エアポンプ１３は、カソード配管４１内を流通する酸化剤ガスを各燃料電池スタック１１のカソード１１ｃに供給する。
燃料供給部１５は、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード１１ｂに通じるアノード配管４３に接続されている。燃料供給部１５は、アノード配管４３内を流通する燃料ガスを各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂに供給する。
燃料供給部１５は、例えば、外部の移動型又は固定型の燃料充填装置から供給される燃料を受け入れて貯留する燃料タンク１５ａと、燃料循環用のエゼクタ１５ｂ等とを備える。例えば、エゼクタ１５ｂは、燃料タンク１５ａと複数の燃料電池スタック１１のアノード１１ｂとの間に配置され、複数のアノード１１ｂから排出される未反応の燃料ガスの少なくとも一部を、燃料タンク１５ａから供給される燃料ガスに混合して複数のアノード１１ｂに再び供給する。
燃料供給部１５は、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード１１ｂに通じるアノード配管４３に接続されている。燃料供給部１５は、アノード配管４３内を流通する燃料ガスを各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂに供給する。
燃料供給部１５は、例えば、外部の移動型又は固定型の燃料充填装置から供給される燃料を受け入れて貯留する燃料タンク１５ａと、燃料循環用のエゼクタ１５ｂ等とを備える。例えば、エゼクタ１５ｂは、燃料タンク１５ａと複数の燃料電池スタック１１のアノード１１ｂとの間に配置され、複数のアノード１１ｂから排出される未反応の燃料ガスの少なくとも一部を、燃料タンク１５ａから供給される燃料ガスに混合して複数のアノード１１ｂに再び供給する。
複数のバルブ１７は、例えば、各燃料電池スタック１１に設けられるアノード排出弁５１、カソード供給弁５３及びカソード排出弁５５と、パージ弁５７とを備える。
アノード排出弁５１は、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード１１ｂの排出側（出口側）でアノード配管４３に設けられている。アノード排出弁５１は、制御装置２１によって開閉制御され、アノード配管４３から各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂへの燃料ガスの流量を調整する。
アノード排出弁５１は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１アノード排出弁５１ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２アノード排出弁５１ｂを備える。
アノード排出弁５１は、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード１１ｂの排出側（出口側）でアノード配管４３に設けられている。アノード排出弁５１は、制御装置２１によって開閉制御され、アノード配管４３から各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂへの燃料ガスの流量を調整する。
アノード排出弁５１は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１アノード排出弁５１ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２アノード排出弁５１ｂを備える。
カソード供給弁５３は、複数の燃料電池スタック１１の各々のカソード１１ｃの供給側（入口側）でカソード配管４１に設けられている。カソード排出弁５５は、複数の燃料電池スタック１１の各々のカソード１１ｃの排出側（出口側）でカソード配管４１に設けられている。カソード供給弁５３及びカソード排出弁５５の各々は、制御装置２１によって開閉制御され、カソード配管４１の封止及び開放を切り替える。
カソード供給弁５３は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１カソード供給弁５３ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２カソード供給弁５３ｂを備える。カソード排出弁５５は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１カソード排出弁５５ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２カソード排出弁５５ｂを備える。
カソード供給弁５３は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１カソード供給弁５３ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２カソード供給弁５３ｂを備える。カソード排出弁５５は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１カソード排出弁５５ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２カソード排出弁５５ｂを備える。
パージ弁５７は、アノード配管４３にて複数のアノード排出弁５１の下流側に設けられている。パージ弁５７は、制御装置２１によって開閉制御され、各燃料電池スタック１１の発電により生成された水及び各燃料電池スタック１１のカソード１１ｃからアノード１１ｂへと透過した窒素をアノード配管４３から排出する。
複数の圧力センサ１９は、例えば、各燃料電池スタック１１に設けられるアノード圧力センサ６１及びカソード圧力センサ６３を備える。
アノード圧力センサ６１は、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード１１ｂの供給側（入口側）でアノード配管４３に設けられている。アノード圧力センサ６１は、アノード配管４３内を流通する燃料ガスの圧力を検出し、圧力の検出値の信号を出力する。
アノード圧力センサ６１は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１アノード圧力センサ６１ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２アノード圧力センサ６１ｂを備える。
カソード圧力センサ６３は、複数の燃料電池スタック１１の各々のカソード１１ｃの供給側（入口側）でカソード配管４１に設けられている。カソード圧力センサ６３は、カソード配管４１内を流通する酸化剤ガスの圧力を検出し、圧力の検出値の信号を出力する。
カソード圧力センサ６３は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１カソード圧力センサ６３ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２カソード圧力センサ６３ｂを備える。
アノード圧力センサ６１は、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード１１ｂの供給側（入口側）でアノード配管４３に設けられている。アノード圧力センサ６１は、アノード配管４３内を流通する燃料ガスの圧力を検出し、圧力の検出値の信号を出力する。
アノード圧力センサ６１は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１アノード圧力センサ６１ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２アノード圧力センサ６１ｂを備える。
カソード圧力センサ６３は、複数の燃料電池スタック１１の各々のカソード１１ｃの供給側（入口側）でカソード配管４１に設けられている。カソード圧力センサ６３は、カソード配管４１内を流通する酸化剤ガスの圧力を検出し、圧力の検出値の信号を出力する。
カソード圧力センサ６３は、例えば、第１燃料電池スタック３１の第１カソード圧力センサ６３ａ及び第２燃料電池スタック３３の第２カソード圧力センサ６３ｂを備える。
制御装置２１は、例えば燃料電池システム１０の動作を統合的に制御する。
制御装置２１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置２１の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。
制御装置２１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置２１の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。
制御装置２１は、例えば、燃料電池システム１０の各種の動作モードに応じて、複数のバルブ１７の開閉を制御する。
制御装置２１は、例えば、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード圧力センサ６１及びカソード圧力センサ６３から受け取る圧力の検出値の信号に基づいて、各燃料電池スタック１１のクロスリークの有無を判定する。クロスリークは、各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂとカソード１１ｃとの間での燃料ガス又は酸化剤ガスの透過異常であって、例えば固体高分子電解質膜１１ａの破損等の異常に起因して、正常な固体高分子電解質膜１１ａで生じる燃料ガス又は酸化剤ガスの所定の透過の程度を超える過大な透過が生じる状態である。
制御装置２１は、例えば、複数の燃料電池スタック１１の各々のアノード圧力センサ６１及びカソード圧力センサ６３から受け取る圧力の検出値の信号に基づいて、各燃料電池スタック１１のクロスリークの有無を判定する。クロスリークは、各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂとカソード１１ｃとの間での燃料ガス又は酸化剤ガスの透過異常であって、例えば固体高分子電解質膜１１ａの破損等の異常に起因して、正常な固体高分子電解質膜１１ａで生じる燃料ガス又は酸化剤ガスの所定の透過の程度を超える過大な透過が生じる状態である。
以下に、実施形態での燃料電池システム１０の制御方法、つまり制御装置２１が実行する制御動作について説明する。
図２は、実施形態での燃料電池システム１０の動作を示すフローチャートである。
図２に示すステップＳ０１からステップＳ１０の一連の処理は、例えば、燃料電池システム１０を搭載する車両のイグニッションスイッチがオフに設定される場合のように、燃料電池システム１０の発電が停止される際に実行される。
先ず、ステップＳ０１にて、制御装置２１は、燃料供給部１５による燃料ガスの供給を停止するとともにエアポンプ１３の出力を低減させた状態で各燃料電池スタック１１内に残留する燃料ガスによって発電を継続する低酸素発電を実行する。低酸素発電は、酸化剤ガスの酸素のストイキ値（＝酸素供給量／発電電流に対応する理論酸素消費量）を、通常発電時の基準値よりも低い値（例えば、１など）に設定した状態での発電である。低酸素発電では、下記表１に示すように、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂ、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは開状態（ＯＮ）に設定される。
図２は、実施形態での燃料電池システム１０の動作を示すフローチャートである。
図２に示すステップＳ０１からステップＳ１０の一連の処理は、例えば、燃料電池システム１０を搭載する車両のイグニッションスイッチがオフに設定される場合のように、燃料電池システム１０の発電が停止される際に実行される。
先ず、ステップＳ０１にて、制御装置２１は、燃料供給部１５による燃料ガスの供給を停止するとともにエアポンプ１３の出力を低減させた状態で各燃料電池スタック１１内に残留する燃料ガスによって発電を継続する低酸素発電を実行する。低酸素発電は、酸化剤ガスの酸素のストイキ値（＝酸素供給量／発電電流に対応する理論酸素消費量）を、通常発電時の基準値よりも低い値（例えば、１など）に設定した状態での発電である。低酸素発電では、下記表１に示すように、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂ、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは開状態（ＯＮ）に設定される。
次に、ステップＳ０２にて、制御装置２１は、エアポンプ１３による酸化剤ガスの供給を停止することによって各燃料電池スタック１１内に残留する燃料ガス及び酸化剤ガス（残留ガス）によって発電を継続する停止処理を実行する。停止処理では、上記表１に示すように、低酸素発電と同様に、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂ、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは開状態（ＯＮ）に設定される。
次に、ステップＳ０３にて、制御装置２１は、各燃料電池スタック１１内に残留する酸化剤ガスが消費された後に、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂを閉状態（ＯＦＦ）に設定する。制御装置２１は、各燃料電池スタック１１の発電電圧（又は発電電力）の検出値に基づいて、各燃料電池スタック１１内に残留する酸化剤ガスが消費されたか否かを検出する。
次に、ステップＳ０４にて、制御装置２１は、燃料供給部１５による燃料ガスの供給を開始する。この場合、上記表１に示すクロスリーク検査のように、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは閉状態（ＯＦＦ）に設定され、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂは開状態（ＯＮ）に設定される。
次に、ステップＳ０４にて、制御装置２１は、燃料供給部１５による燃料ガスの供給を開始する。この場合、上記表１に示すクロスリーク検査のように、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは閉状態（ＯＦＦ）に設定され、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂは開状態（ＯＮ）に設定される。
次に、ステップＳ０５にて、制御装置２１は、第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３３の各々にて、アノード圧力センサ６１及びカソード圧力センサ６３から出力される圧力の検出値の信号に基づいて、アノード１１ｂの燃料ガスの圧力とカソード１１ｃの酸化剤ガスの圧力との差である圧力差を検出する。
次に、ステップＳ０６にて、制御装置２１は、ステップＳ０５にて検出した圧力差又は圧力差の変化に基づいて、各燃料電池スタック１１のクロスリークの有無を判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」である場合、つまり少なくともいずれかの燃料電池スタック１１にクロスリークが生じている場合、制御装置２１は処理をステップＳ０８に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」である場合、つまりいずれの燃料電池スタック１１にもクロスリークが生じていない場合、制御装置２１は処理をステップＳ０７に進める。
次に、ステップＳ０６にて、制御装置２１は、ステップＳ０５にて検出した圧力差又は圧力差の変化に基づいて、各燃料電池スタック１１のクロスリークの有無を判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」である場合、つまり少なくともいずれかの燃料電池スタック１１にクロスリークが生じている場合、制御装置２１は処理をステップＳ０８に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」である場合、つまりいずれの燃料電池スタック１１にもクロスリークが生じていない場合、制御装置２１は処理をステップＳ０７に進める。
図３は、実施形態での燃料電池システム１０のクロスリーク判定時の燃料供給及びアノード１１ｂとカソード１１ｃとの圧力差の時間変化の一例を示す図である。
図３に示すように、クロスリーク検査時に燃料供給部１５による燃料ガスの供給が開始されると、例えば時刻ｔ１での圧力差ΔＰ１から時刻ｔ２での圧力差ΔＰ２に向かって、アノード１１ｂとカソード１１ｃとの圧力差は増大する。そして、燃料供給部１５による燃料ガスの供給が停止される時刻ｔ２以降にて、アノード１１ｂとカソード１１ｃとの圧力差は低下傾向に変化する。制御装置２１は、例えば、時刻ｔ２以降の圧力差の低下が正常時での変化に比べてより大きい場合に、クロスリークが生じていると判定する。
図３に示すように、クロスリーク検査時に燃料供給部１５による燃料ガスの供給が開始されると、例えば時刻ｔ１での圧力差ΔＰ１から時刻ｔ２での圧力差ΔＰ２に向かって、アノード１１ｂとカソード１１ｃとの圧力差は増大する。そして、燃料供給部１５による燃料ガスの供給が停止される時刻ｔ２以降にて、アノード１１ｂとカソード１１ｃとの圧力差は低下傾向に変化する。制御装置２１は、例えば、時刻ｔ２以降の圧力差の低下が正常時での変化に比べてより大きい場合に、クロスリークが生じていると判定する。
次に、ステップＳ０７にて、制御装置２１は、燃料電池システム１０の次回の起動時に正常発電を許可し、処理をエンドに進める。
次回の起動時の正常発電において、制御装置２１は、出力要求に応じて、上記表１に示す正常発電：低負荷（一部稼働）又は正常発電：高負荷（全稼働）を切り替えて選択する。
例えば、出力要求が所定閾値未満である場合に選択される正常発電：低負荷（一部稼働）では、第１アノード排出弁５１ａ、第１カソード供給弁５３ａ及び第１カソード排出弁５５ａは開状態（ＯＮ）に設定され、第２アノード排出弁５１ｂ、第２カソード供給弁５３ｂ及び第２カソード排出弁５５ｂは閉状態（ＯＦＦ）に設定されることによって、第１燃料電池スタック３１のみの発電が実行される。
例えば、出力要求が所定閾値以上である場合に選択される正常発電：高負荷（全稼働）では、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂ、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは開状態（ＯＮ）に設定されることによって、第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３３の発電が実行される。
次回の起動時の正常発電において、制御装置２１は、出力要求に応じて、上記表１に示す正常発電：低負荷（一部稼働）又は正常発電：高負荷（全稼働）を切り替えて選択する。
例えば、出力要求が所定閾値未満である場合に選択される正常発電：低負荷（一部稼働）では、第１アノード排出弁５１ａ、第１カソード供給弁５３ａ及び第１カソード排出弁５５ａは開状態（ＯＮ）に設定され、第２アノード排出弁５１ｂ、第２カソード供給弁５３ｂ及び第２カソード排出弁５５ｂは閉状態（ＯＦＦ）に設定されることによって、第１燃料電池スタック３１のみの発電が実行される。
例えば、出力要求が所定閾値以上である場合に選択される正常発電：高負荷（全稼働）では、各アノード排出弁５１ａ，５１ｂ、各カソード供給弁５３ａ，５３ｂ及び各カソード排出弁５５ａ，５５ｂは開状態（ＯＮ）に設定されることによって、第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３３の発電が実行される。
次に、ステップＳ０８にて、制御装置２１は、複数の燃料電池スタック１１の全てにクロスリークが生じているか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」である場合、制御装置２１は処理をステップＳ１０に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」である場合、制御装置２１は処理をステップＳ０９に進める。
この判定結果が「ＹＥＳ」である場合、制御装置２１は処理をステップＳ１０に進める。一方、この判定結果が「ＮＯ」である場合、制御装置２１は処理をステップＳ０９に進める。
次に、ステップＳ０９にて、制御装置２１は、燃料電池システム１０の次回の起動時に複数の燃料電池スタック１１のうち正常である燃料電池スタック１１（つまりクロスリークが生じていないと判定された燃料電池スタック１１）のみを起動させる部分正常発電を許可し、この設定をユーザに報知する。そして、処理をエンドに進める。
次回の起動時の部分正常発電において、制御装置２１は、第１燃料電池スタック３１のみを起動させる場合、上記表１に示す部分正常発電のように、第１アノード排出弁５１ａ、第１カソード供給弁５３ａ及び第１カソード排出弁５５ａを開状態（ＯＮ）に設定し、第２アノード排出弁５１ｂ、第２カソード供給弁５３ｂ及び第２カソード排出弁５５ｂを閉状態（ＯＦＦ）に設定する。制御装置２１は、出力要求を満たすように、必要に応じて第１燃料電池スタック３１の発電量を増大させる。例えば、制御装置２１は、第２燃料電池スタック３３にクロスリークが有ると判定して、第２燃料電池スタック３３の起動を不許可にすることによって、出力要求に対応できない場合、出力要求を満たすように、第１燃料電池スタック３１の発電量を増大させる。
また、ステップＳ１０にて、制御装置２１は、燃料電池システム１０の次回の起動時に複数の燃料電池スタック１１の全ての起動を不許可にするように設定し、この設定をユーザに報知する。そして、処理をエンドに進める。
次回の起動時の部分正常発電において、制御装置２１は、第１燃料電池スタック３１のみを起動させる場合、上記表１に示す部分正常発電のように、第１アノード排出弁５１ａ、第１カソード供給弁５３ａ及び第１カソード排出弁５５ａを開状態（ＯＮ）に設定し、第２アノード排出弁５１ｂ、第２カソード供給弁５３ｂ及び第２カソード排出弁５５ｂを閉状態（ＯＦＦ）に設定する。制御装置２１は、出力要求を満たすように、必要に応じて第１燃料電池スタック３１の発電量を増大させる。例えば、制御装置２１は、第２燃料電池スタック３３にクロスリークが有ると判定して、第２燃料電池スタック３３の起動を不許可にすることによって、出力要求に対応できない場合、出力要求を満たすように、第１燃料電池スタック３１の発電量を増大させる。
また、ステップＳ１０にて、制御装置２１は、燃料電池システム１０の次回の起動時に複数の燃料電池スタック１１の全ての起動を不許可にするように設定し、この設定をユーザに報知する。そして、処理をエンドに進める。
上述したように、実施形態の燃料電池システム１０及び燃料電池システム１０の制御方法によれば、アノード圧力センサ６１及びカソード圧力センサ６３によって検出される燃料ガスの圧力及び酸化剤ガスの圧力に基づいて、クロスリークの有無を判定することによって、クロスリークの判定精度を向上させることができる。例えばアノード１１ｂの圧力又はカソード１１ｃの圧力のみに基づいてクロスリークを判定する場合に比べて、配管等での漏れを除外することができ、アノード１１ｂとカソード１１ｃとの間での燃料ガス又は酸化剤ガスの透過異常を精度良く判定することができる。
燃料電池スタック１１の内部に残留する燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電を実行させた後にクロスリークの有無を判定することによって、アノード圧力センサ６１及びカソード圧力センサ６３によって検出される燃料ガスの圧力及び酸化剤ガスの圧力の圧力差を検出し易くすることができる。
燃料電池システム１０の次回の起動時にクロスリークが有ると判定した燃料電池スタック１１の起動を不許可にすることによって、クロスリークが有ると判定した燃料電池スタック１１から他の燃料電池スタック１１（つまりクロスリークが無いと判定した燃料電池スタック１１）への燃料ガス又は酸化剤ガスの漏れを防ぎつつ、適正な発電を継続することができる。
燃料電池システム１０の次回の起動時にクロスリークが有ると判定した燃料電池スタック１１の起動を不許可にすることによって、クロスリークが有ると判定した燃料電池スタック１１から他の燃料電池スタック１１（つまりクロスリークが無いと判定した燃料電池スタック１１）への燃料ガス又は酸化剤ガスの漏れを防ぎつつ、適正な発電を継続することができる。
（変形例）
以下、実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。
以下、実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。
上述した実施形態では、各燃料電池スタック１１に設けられるアノード排出弁５１を備えるとしたが、これに限定されない。例えば、アノード排出弁５１の代わり又はアノード排出弁５１に加えて、各燃料電池スタック１１のアノード１１ｂの入口側に開閉制御される供給弁を備えてもよい。
上述した実施形態では、パージ弁５７の開状態（ＯＮ）は、少なくとも第１アノード排出弁５１ａ又は第２アノード排出弁５１ｂの開状態（ＯＮ）に連動して制御されてもよい。
上述した実施形態では、クロスリーク判定時での各燃料電池スタック１１の複数のバルブ１７の開閉は、複数の燃料電池スタック１１の全てで同時的に設定されてもよい。この場合、例えば発電実行の燃料電池スタック１１及び発電停止の燃料電池スタック１１が存在する場合であっても、複数の燃料電池スタック１１に対して同時的にクロスリークの有無を判定することができ、複数の燃料電池スタック１１に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給制御の効率を向上させることができる。
上述した実施形態では、クロスリーク判定時での各燃料電池スタック１１の複数のバルブ１７の開閉は、複数の燃料電池スタック１１の全てで同時的に設定されてもよい。この場合、例えば発電実行の燃料電池スタック１１及び発電停止の燃料電池スタック１１が存在する場合であっても、複数の燃料電池スタック１１に対して同時的にクロスリークの有無を判定することができ、複数の燃料電池スタック１１に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給制御の効率を向上させることができる。
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック（燃料電池）、１１ｂ…アノード、１１ｃ…カソード、１３…エアポンプ（酸化剤供給部）、１５…燃料供給部、１５ａ…燃料タンク、１５ｂ…エゼクタ、１７…バルブ、１９…圧力センサ、２１…制御装置、４１…カソード配管（カソード流路）、４３…アノード配管（アノード流路）、５１…アノード排出弁（アノード開閉部）、５３…カソード供給弁（カソード開閉部）、５５…カソード排出弁（カソード開閉部）、６１…アノード圧力センサ（アノード圧力検出部）、６３…カソード圧力センサ（カソード圧力検出部）。
Claims (5)
- アノードに供給される燃料及びカソードに供給される酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記アノードに通じるとともに前記燃料が流通するアノード流路の開閉を切り替えるアノード開閉部と、
前記カソードに通じるとともに前記酸化剤が流通するカソード流路の開閉を切り替えるカソード開閉部と、
前記アノード流路での前記燃料の圧力を検出するアノード圧力検出部と、
前記カソード流路での前記酸化剤の圧力を検出するカソード圧力検出部と、
前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部の各々の開閉の切り替えを制御するとともに、前記燃料電池の発電の停止状態にて前記アノード圧力検出部及び前記カソード圧力検出部によって検出される前記燃料の圧力と前記酸化剤の圧力との差である圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間での前記燃料又は前記酸化剤の透過異常であるクロスリークの有無を判定する制御部と、
を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記アノード流路に前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソード流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料供給部による前記燃料の供給及び前記酸化剤供給部による前記酸化剤の供給を停止することによって前記燃料電池の内部に残留する前記燃料及び前記酸化剤による発電を実行させた後に、
前記アノード開閉部を開状態及び前記カソード開閉部を閉状態に設定するとともに前記燃料供給部による前記燃料の供給を実行する状態にて、前記圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて前記クロスリークの有無を判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 複数の前記燃料電池と、
複数の前記アノード開閉部と、
複数の前記カソード開閉部と、
複数の前記アノード圧力検出部と、
複数の前記カソード圧力検出部と、
を備え、
前記制御部は、
前記複数の前記燃料電池の発電の停止状態にて前記複数の前記燃料電池の各々で前記圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて前記クロスリークの有無を判定し、
前記複数の前記燃料電池の少なくともいずれかの発電を実行させる際に、
前記クロスリークが有ると判定した前記燃料電池に対応する前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部を閉状態に設定し、
前記クロスリークが無いと判定した前記燃料電池の発電を実行させる、
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。 - 前記複数の前記燃料電池の前記アノード流路に前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記複数の前記燃料電池の前記カソード流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
を備え、
前記制御部は、
出力要求に応じて前記複数の前記燃料電池の各々の発電実行及び発電停止を設定するとともに、
前記燃料供給部による前記燃料の供給及び前記酸化剤供給部による前記酸化剤の供給を停止することによって前記複数の前記燃料電池の各々の内部に残留する前記燃料及び前記酸化剤による発電を実行させた後に、
前記複数の前記アノード開閉部を開状態及び前記複数の前記カソード開閉部を閉状態に同時的に設定するとともに前記燃料供給部による前記燃料の供給を実行する状態にて、前記複数の前記燃料電池の各々で前記圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて前記クロスリークの有無を判定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。 - アノードに供給される燃料及びカソードに供給される酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記アノードに通じるとともに前記燃料が流通するアノード流路の開閉を切り替えるアノード開閉部と、
前記カソードに通じるとともに前記酸化剤が流通するカソード流路の開閉を切り替えるカソード開閉部と、
前記アノード流路での前記燃料の圧力を検出するアノード圧力検出部と、
前記カソード流路での前記酸化剤の圧力を検出するカソード圧力検出部と、
前記アノード開閉部及び前記カソード開閉部の各々の開閉の切り替えを制御する制御部と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御部が、前記燃料電池の発電の停止状態にて前記アノード圧力検出部及び前記カソード圧力検出部によって検出される前記燃料の圧力及び前記酸化剤の圧力の差である圧力差又は前記圧力差の変化に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間での前記燃料又は前記酸化剤の透過異常であるクロスリークの有無を判定するステップを含む、
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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