JP7382428B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、移動体等に搭載される燃料電池システムに関する。
近年、燃料電池は、様々な分野で注目されている。例えば、燃料電池が搭載された燃料電池自動車がある。燃料電池自動車は、燃料電池における電気化学反応によって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。このため、ガソリン車のようにＣＯ２、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出がなく水を排出するだけであり、環境にやさしい。燃料電池は、自動車以外に、船舶、航空機、ロボット等の他の移動体に搭載され得る。
燃料電池を有する燃料電池システムとして、例えば、下記の特許文献１がある。特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池と、アノードガス供給経路と、循環経路と、パージ経路と、合流部と、可燃ガスセンサとが筐体内に備えられる。
アノードガス供給経路は、燃料電池のアノード入口に接続される。循環経路は、燃料電池のアノード出口に一端が接続され、アノードガス供給経路に他端が接続される。パージ経路は、循環経路に一端が接続され、合流部に他端が延びている。合流部は、パージ経路を通じて循環経路から排出される水素含有ガスを空気と混合し、混合された混合ガスを筐体の外部の大気中に排出する。可燃ガスセンサは、水素の濃度を検出するセンサであり、合流部の近くに配置される。
特許文献１の燃料電池システムでは、パージ経路に設けられるパージ弁が開くと、可燃ガスセンサの出力が監視される。可燃ガスセンサの出力が閾値を超えると、燃料電池システムの異常が報知される。
特開２０１９－１４９２２５号公報
特許文献１の燃料電池システムでは、パージ弁が気液分離器の近くに配置されている。このため、燃料電池システムが寒冷地等で使用されると、凍結によってパージ弁が開状態で固着する可能性がある。また、パージ弁の異常によって弁が開状態で固着する可能性もある。しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、パージ弁が開状態で固着したことを検出することができない。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の態様は、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを覆うケースと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給流路と、前記燃料電池スタックから酸化剤排ガスを排出する酸化剤排出流路と、前記酸化剤供給流路と前記酸化剤排出流路とに接続され、前記燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路から分岐し、前記ケースの内部と連通する分岐流路と、前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスの一部と共に液水を排出するドレイン流路と、前記酸化剤排出流路と前記ドレイン流路との合流部分に接続され、前記酸化剤排ガス及び前記液水を外部へ排出する排出流路と、前記バイパス流路に設けられる第１開閉弁と、前記ドレイン流路に設けられる第２開閉弁と、前記合流部分から前記ケースへ流れ込む前記燃料ガスを検出可能な少なくとも１つのガスセンサと、前記燃料電池スタックの運転が停止され、前記酸化剤供給流路に前記酸化剤ガスが流れていない場合に、弁開放指令信号を前記第１開閉弁に出力すると共に、弁閉鎖指令信号を前記第２開閉弁に出力した後、前記ガスセンサによる前記燃料ガスの検出結果を監視する制御装置と、を備える。
本発明の態様によれば、第２開閉弁が開状態で固着したことを検出することができる。すなわち、第２開閉弁が開状態で固着していた場合、燃料電池スタックの運転が停止され、酸化剤供給流路に酸化剤ガスが流れていない状態において、ドレイン流路を流れる燃料排ガスは、液水の流方向とは逆方向に逆流する。したがって、第２開閉弁が開状態で固着している場合、第２開閉弁が固着していない場合に比べて、ガスセンサによる燃料ガスの検出結果が大きくなる。この検出結果を監視することで、第２開閉弁が開状態で固着したことを検出することができる。
図１は、実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、図１の燃料電池システムの一部を簡潔に示す図である。 図３は、ドレイン弁が開状態で固着している場合の燃料ガスの流れを示す図である。 図４は、変形例１による燃料電池システムの一部を、図２と同様に示す図である。 図５は、変形例２による燃料電池システムの一部を、図２と同様に示す図である。 図６は、ドレイン弁及び排出側封止弁が開状態で固着している場合の燃料ガスの流れを示す図である。
図１は、実施形態による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう）１８と、水素タンク２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、を有する。
酸化剤ガス供給装置２２には、コンプレッサ（ＣＰ）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。
燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。
燃料電池スタック１８には、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、該電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。
電解質膜・電極構造体５２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５５と、前記固体高分子電解質膜５５を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５７とを備える。
カソード電極５６及びアノード電極５７は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。ガス拡散層の表面に、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５５の両面に形成される。
一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）５８が形成される。
他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）５９が形成される。
アノード電極５７では、燃料ガス（水素）が供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜５５を透過してカソード電極５６に移動する一方、水素分子から電子が解放される。水素分子から解放された電子は、正極端子を介してカソード電極５６に移動する。
カソード電極５６では、触媒の作用によって前記水素イオン及び前記電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
コンプレッサ２８は、機械式の過給器等で構成され、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に供給する等の機能を有する。
加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、コンプレッサ２８により圧縮され高温化されて乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から排出される排出ガスが流通する。
ここで、前記排出ガスは、ブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガス（湿潤なカソードオフガス、湿潤な酸化剤排ガス）とされ、ブリード弁７０の開弁時には、前記湿潤な酸化剤オフガスと燃料オフガス（アノードオフガス、燃料排ガス）が混合された湿潤な排出ガス（オフガス）が流通する。
加湿器３０は、コンプレッサ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、前記排出ガス（オフガス）中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。
外気取入口１１３から酸化剤ガス入口連通口１０１までの酸化剤供給流路６０（酸化剤供給流路６０Ａ、６０Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順に遮断弁１１４、エアフローセンサ（ＡＦＳ：流量センサ）１１６、コンプレッサ２８、供給側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられている。なお、二重線で描いている酸化剤供給流路６０等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。
遮断弁１１４は、酸化剤供給流路６０への空気の取り入れを解放又は遮断するために開閉される。
エアフローセンサ１１６は、コンプレッサ２８を通じて燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガスの流量を計測する。
供給側封止弁１１８は、酸化剤供給流路６０Ａを開閉する。
外気取入口１１３には、外気温度を検出（測定）する温度センサ７３が設けられている。
酸化剤ガス出口連通口１０２に連通する酸化剤排出流路６２には、酸化剤ガス出口連通口１０２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する排出側封止弁１２０が設けられている。
供給側封止弁１１８の吸入口と排出側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤供給流路６０と酸化剤排出流路６２とを連通するバイパス流路６４が設けられている。バイパス流路６４は、燃料電池スタック１８をバイパスするため、酸化剤供給流路６０と酸化剤排出流路６２とに接続される。バイパス流路６４には、バイパス流路６４を開閉するバイパス弁１２２が設けられている。バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。
水素タンク２０は、電磁作動式の遮断弁を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。
水素タンク２０から吐出される燃料ガスは、燃料供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１８のアノード流路５９の入口に供給される。
アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４及び燃料ガスの燃料排出流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通され、該気液分離器３６にアノード流路５９から水素含有ガスである前記燃料オフガスが供給される。
気液分離器３６は、前記燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料オフガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される一方、ブリード弁７０が開弁されたとき、燃料オフガスは、接続流路（連絡流路）７８、ブリード弁７０を介し、酸化剤供給流路６０Ｂにも供給される。
燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３６の液体排出口１６０からドレイン流路１６２を通じ、酸化剤排出流路６２との合流部分ＭＰに供給される。合流部分ＭＰには排出流路９９が接続される。排出流路９９は、酸化剤排出流路６２から供給される酸化剤排ガスと、ドレイン流路１６２から供給される燃料排ガスとを、排ガス排気口１６８を通じて外部に排出する。
実際上、ドレイン流路１６２には、液体成分と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。この燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、コンプレッサ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６４を通じて、合流部分ＭＰに供給されている。
燃料オフガスの循環流路７７と酸化剤供給流路６０Ｂを連通する接続流路７８に設けられたブリード弁７０は、次に説明する二つの理由のいずれかにより開閉制御される。
第１に、ブリード弁７０は、燃料電池システム１０が搭載された移動体の移動中に、カソード流路５８に存在する窒素ガスが電解質膜・電極構造体５２を透過してアノード流路５９内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極５７の劣化を防止するために開弁される（走行中におけるブリード弁７０の第１弁連続開閉制御処理）。
第２に、ブリード弁７０は、燃料電池スタック１８の運転状態がアイドル状態のとき、排ガス排気口１６８から外部に排気される排出ガス中の水素濃度を低減するために開弁される（アイドル状態におけるブリード弁７０の第２弁連続開閉制御処理）。
ブリード弁７０が開弁されると、燃料電池スタック１８から燃料排出流路７４を通じ、気液分離器３６を介して吐出される燃料オフガスを、接続流路７８、酸化剤供給流路６０Ｂ、及び酸化剤ガス入口連通口１０１を介してカソード流路５８に流通させる。
カソード流路５８に流通された燃料オフガス中の燃料ガスは、カソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料オフガス（窒素ガスと未反応の僅かな水素ガスとからなる）は燃料電池スタック１８から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤排出流路６２に流通する。
酸化剤排出流路６２に流通する酸化剤オフガス（前記反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）に、バイパス流路６４を通じて供給された酸化剤ガスが混合されて、酸化剤オフガス中の燃料オフガス（燃料ガスを含む）の濃度が希釈された酸化剤オフガスが、合流部分ＭＰに流通する。
合流部分ＭＰに接続される排出流路９９では、酸化剤排出流路６２からの酸化剤オフガスにより、ドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスの混合流体中の燃料ガスが希釈され、排ガス排気口１６８を通じて外部（大気）に排出される。
なお、前記ブリード弁７０の開口径は、ドレイン流路１６２に設けられるドレイン弁１６４の開口径よりも大きい弁を採用している。この開口径の関係により、仮に、凍結等によりドレイン弁１６４が開いたままの開故障状態となっても、接続流路７８に流入する燃料オフガスの量が、ドレイン弁１６４に流入する燃料オフガスの量よりも大きくなり、結果として、排ガス排気口１６８から排出される燃料ガスの濃度を低下させることができる。
図２は、図１の燃料電池システム１０の一部を簡潔に示す図である。燃料電池システム１０は、ケース２００及び制御装置１５（図１）をさらに備える。ケース２００は、加湿器３０、燃料電池スタック１８及び燃料ガス供給装置２４を覆う。ケース２００は、ケース換気口２００ＶＰを有する。ケース２００の壁部には、酸化剤供給流路６０Ｂと、酸化剤排出流路６２と、ドレイン流路１６２とが貫通している。
ケース２００の内部は、分岐流路２０２と連通する。分岐流路２０２は、バイパス流路６４から分岐し、ケース２００の内部と連通する。バイパス流路６４に流入する酸化剤ガスの一部は、分岐流路２０２を通じてケース２００の内部に供給される。ケース２００の内部に供給される酸化剤ガスは、ケース換気口２００ＶＰを介してケース２００の外部に流れる。したがって、ケース２００の内部が換気される。
ケース２００の外部には、バイパス弁１２２が配置される。ケース２００の内部には、供給側封止弁１１８と、排出側封止弁１２０と、ドレイン弁１６４と、ガスセンサ２０４とが配置される。バイパス弁１２２、ドレイン弁１６４、供給側封止弁１１８及び排出側封止弁１２０は、制御装置１５（図１）によって制御される。
バイパス弁１２２は、開閉可能に構成される第１開閉弁である。本実施形態では、バイパス弁１２２は、第２接続部分ＢＰ２と第３接続部分ＢＰ３との間のバイパス流路６４に設けられる。第２接続部分ＢＰ２は、酸化剤排出流路６２とバイパス流路６４との接続部分である。第３接続部分ＢＰ３は、バイパス流路６４と分岐流路２０２との接続部分である。
ドレイン弁１６４は、開閉可能に構成される第２開閉弁である。本実施形態では、ドレイン弁１６４は、ケース２００内のドレイン流路１６２に設けられる。
供給側封止弁１１８は、開閉可能に構成される第３開閉弁である。本実施形態では、供給側封止弁１１８は、第１接続部分ＢＰ１と燃料電池スタック１８との間におけるケース２００内の酸化剤供給流路６０に設けられる。第１接続部分ＢＰ１は、酸化剤供給流路６０とバイパス流路６４との接続部分である。
排出側封止弁１２０は、開閉可能に構成される第４開閉弁である。第２接続部分ＢＰ２と燃料電池スタック１８との間におけるケース２００内の酸化剤排出流路６２に設けられる。
ガスセンサ２０４は、合流部分ＭＰからケース２００に流れ込む燃料ガスを検出可能なセンサである。ガスセンサ２０４は、合流部分ＭＰから酸化剤排出流路６２又は分岐流路２０２を介してケース２００に至るまでのガス経路上に設けられる。このガス経路は、ケース２００の内部を含む。
本実施形態では、ガスセンサ２０４は、ケース２００の内部に設けられる。なお、ガスセンサ２０４は、ケース２００の内部の近くの分岐流路２０２に設けられてもよい。
ガスセンサ２０４は、燃料ガスの絶対量を検出可能に構成されてもよいし、燃料ガスの濃度を検出可能に構成されてもよい。ガスセンサ２０４の検出結果は、制御装置１５（図１）に出力される。
以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置１５によって統括制御される。制御装置１５は、ケース２００の外部に設けられてもよいし、ケース２００の内部に設けられてもよい。
制御装置１５は、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶された図示しないプログラムを実行する。
制御装置１５のプロセッサ（ＣＰＵ）は、前記プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池システム１０の運転制御を行う。この運転制御は、コンプレッサ２８、供給側封止弁１１８、排出側封止弁１２０、バイパス弁１２２及びドレイン弁１６４の制御を含む。
すなわち、制御装置１５は、燃料電池スタック１８に発電動作を実行させる場合、コンプレッサ２８に駆動電力を供給してコンプレッサ２８を駆動する。この場合、制御装置１５は、供給側封止弁１１８及び排出側封止弁１２０を開状態に制御する。また、制御装置１５は、燃料電池スタック１８の温度、電圧及び発電電力のうちの少なくとも１つに基づいて目標発電量を決定し、当該目標発電量に応じて、バイパス弁１２２の開放度を調整する。さらに、制御装置１５は、気液分離器３６内の水位センサ等に基づいて、ドレイン弁１６４を開状態と閉状態のいずれかに切り替えて、気液分離器３６内の液体成分の量を一定に保つ。
燃料電池スタック１８の発電動作が実行されている場合、制御装置１５は、ガスセンサ２０４による検出結果に基づいて、燃料電池スタック１８から燃料ガスの漏れを判定する。ガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果として得られる値が第１閾値未満である場合、制御装置１５は、燃料電池スタック１８から燃料ガスの漏れがないと判定する。逆に、ガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果として得られる値が第１閾値以上である場合、制御装置１５は、燃料電池スタック１８から燃料ガスの漏れがあると判定する。第１閾値は、燃料電池スタック１８からの燃料ガスの漏れを検出するために予め設定される閾値であり、制御装置１５のメモリに記憶される。
制御装置１５は、燃料電池スタック１８に発電動作を停止させる場合、コンプレッサ２８に供給される駆動電力を停止してコンプレッサ２８の駆動を停止させる。この場合、一般には、供給側封止弁１１８、排出側封止弁１２０、バイパス弁１２２及びドレイン弁１６４は、閉状態に制御される。しかし、ドレイン弁１６４は、気液分離器３６に貯留される液水の凍結等によって開状態で固着している場合、制御不能となる。
本実施形態では、凍結等によってドレイン弁１６４が開状態で固着しているか否かを検出するため、制御装置１５は、バイパス弁１２２を開状態に制御する。
すなわち、燃料電池スタック１８の運転が停止され、酸化剤供給流路６０に酸化剤ガスが流れていない場合に、制御装置１５は、供給側封止弁１１８、排出側封止弁１２０及びドレイン弁１６４に弁閉鎖指令信号を出力する。一方、制御装置１５は、バイパス弁１２２に弁開放指令信号を出力する。その後、制御装置１５は、ガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果を監視する。なお、弁閉鎖指令信号は、弁を閉状態に制御するための指令信号である。弁開放指令信号は、弁を開状態に制御するための指令信号である。
図３は、ドレイン弁１６４が開状態で固着している場合の燃料ガスの流れを示す図である。ドレイン弁１６４が開状態で固着している場合、気液分離器３６に貯留される液水は、ドレイン流路１６２及び排出流路９９を介して排ガス排気口１６８から外部に排出される。
一方、液水と共に、ドレイン流路１６２に流入した燃料オフガス（水素含有ガス）は、排ガス排気口１６８に到達する前に、液水の流方向とは逆方向に逆流する。これは、燃料電池スタック１８の運転が停止されている場合、コンプレッサ２８が駆動しておらず、酸化剤供給流路６０及びバイパス流路６４に酸化剤ガスが流れていないためである。
逆流する燃料オフガス（水素含有ガス）は、合流部分ＭＰからバイパス流路６４に流入し、分岐流路２０２を介してケース２００の内部に流入する。したがって、ドレイン弁１６４が開状態で固着している場合、当該ドレイン弁１６４が固着していない場合に比べて、ケース２００の内部に配置されるガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果は大きくなる。
制御装置１５は、ガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果に基づいて、ドレイン弁１６４の異常を判定する。ガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果として得られる値が第２閾値未満である場合、制御装置１５は、ドレイン弁１６４が正常状態にあると判定する。第２閾値は、ドレイン弁１６４が開状態で固着していることを検出するために予め設定される閾値であり、制御装置１５のメモリに記憶される。第２閾値は、上記の第１閾値と同じ値であってもよいし、第１閾値とは異なる値であってもよい。
逆に、ガスセンサ２０４による燃料ガスの検出結果として得られる値が第２閾値以上である場合、制御装置１５は、ドレイン弁１６４が異常状態にあると判定する。この場合、制御装置１５は、表示機器、スピーカ及び発光機器を制御して、凍結又は故障等の要因によりドレイン弁１６４が異常になっている可能性があることを報知する。なお、表示機器、スピーカ及び発光機器は、燃料電池システム１０が搭載される移動体に設けられる。移動体は、自動車、船舶、航空機、ロボット等である。
上記実施形態は、下記のように変形されてもよい。
図４は、変形例１による燃料電池システム１０の一部を、図２と同様に示す図である。図４では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。
本変形例では、ガスセンサ２０４は、第２接続部分ＢＰ２と合流部分ＭＰとの間の酸化剤排出流路６２に設けられる。これにより、合流部分ＭＰから逆流する燃料ガスがバイパス流路６４を介して各種の流路に拡散する前に、当該燃料ガスをガスセンサ２０４によって検出できる。したがって、ドレイン弁１６４が異常状態にあることを正確に検出することができる。
図５は、変形例２による燃料電池システム１０の一部を、図２と同様に示す図である。図５では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。
本変形例では、ガスセンサ２０４は、第２接続部分ＢＰ２と排出側封止弁１２０との間の酸化剤排出流路６２に設けられる。これにより、ドレイン弁１６４及び排出側封止弁１２０が開状態で固着していることを検出することができる。
図６は、ドレイン弁１６４及び排出側封止弁１２０が開状態で固着している場合の燃料ガスの流れを示す図である。ドレイン弁１６４及び排出側封止弁１２０が開状態で固着している場合、逆流する燃料オフガス（水素含有ガス）は、合流部分ＭＰからバイパス流路６４及び酸化剤排出流路６２の双方に流入する。したがって、第２接続部分ＢＰ２と排出側封止弁１２０との間の酸化剤排出流路６２に設けられるガスセンサ２０４に基づいて、ドレイン弁１６４及び排出側封止弁１２０が開状態で固着していることを検出することができる。
実施形態、変形例１及び変形例２のガスセンサ２０４は、組み合わされてもよい。この場合、燃料電池システム１０は、複数のガスセンサ２０４を有する。
上記実施形態及び変形例から把握し得る発明及び効果について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には上記実施形態及び変形例で用いた符号を付けているが、該構成要素はその符号を付けたものに限定されない。
（１）本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック（１８）と、前記燃料電池スタックを覆うケース（２００）と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給流路（６０）と、前記燃料電池スタックから酸化剤排ガスを排出する酸化剤排出流路（６２）と、前記酸化剤供給流路と前記酸化剤排出流路とに接続され、前記燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路（６４）と、前記バイパス流路から分岐し、前記ケースの内部と連通する分岐流路（２０２）と、前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスの一部と共に液水を排出するドレイン流路（１６２）と、前記酸化剤排出流路と前記ドレイン流路との合流部分（ＭＰ）に接続され、前記酸化剤排ガス及び前記液水を外部へ排出する排出流路（９９）と、前記バイパス流路に設けられる第１開閉弁（１２２）と、前記ドレイン流路に設けられる第２開閉弁（１６４）と、前記合流部分から前記ケースへ流れ込む前記燃料ガスを検出可能な少なくとも１つのガスセンサ（２０４）と、前記燃料電池スタックの運転が停止され、前記酸化剤供給流路に前記酸化剤ガスが流れていない場合に、弁開放指令信号を前記第１開閉弁に出力すると共に、弁閉鎖指令信号を前記第２開閉弁に出力した後、前記ガスセンサによる前記燃料ガスの検出結果を監視する制御装置（１５）と、を備える。
これにより、第２開閉弁が開状態で固着したことを検出することができる。すなわち、第２開閉弁が開状態で固着していた場合、燃料電池スタックの運転が停止され、酸化剤供給流路に酸化剤ガスが流れていない状態において、ドレイン流路を流れる燃料排ガスは、液水の流方向とは逆方向に逆流する。したがって、第２開閉弁が開状態で固着している場合、第２開閉弁が固着していない場合に比べて、ガスセンサによる燃料ガスの検出結果が大きくなる。この検出結果を監視することで、第２開閉弁が開状態で固着したことを検出することができる。
（２）本発明は、燃料電池システムであって、前記ガスセンサは、前記ケースの内部又は前記分岐流路に設けられてもよい。これにより、燃料電池スタックが発電しているときに、当該燃料電池スタックから燃料ガスが漏れている場合には、当該燃料ガスを検出することができる。つまり、燃料電池スタックからのガス漏れを検出する用途と、第２開閉弁が開状態で固着していることを検出する用途とでガスセンサを併用することができる。
（３）本発明は、燃料電池システムであって、前記酸化剤供給流路と前記バイパス流路との第１接続部分（ＢＰ１）と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤供給流路に設けられる第３開閉弁（１１８）と、前記酸化剤排出流路と前記バイパス流路との第２接続部分（ＢＰ２）と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤排出流路に設けられる第４開閉弁（１２０）と、を備え、前記ガスセンサは、前記第２接続部分と、前記合流部分との間の前記酸化剤排出流路に設けられ、前記燃料電池スタックの運転が停止される場合に、前記制御装置は、前記第３開閉弁及び前記第４開閉弁に前記弁閉鎖指令信号を出力してもよい。これにより、合流部分から逆流する燃料ガスがバイパス流路を介して各種の流路に拡散する前に、当該燃料ガスをガスセンサによって検出することができる。したがって、第２開閉弁が異常状態にあることを正確に検出することができる。
（４）本発明は、燃料電池システムであって、前記酸化剤供給流路と前記バイパス流路との第１接続部分と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤供給流路に設けられる第３開閉弁と、前記酸化剤排出流路と前記バイパス流路との第２接続部分と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤排出流路に設けられる第４開閉弁と、を備え、前記ガスセンサは、前記第２接続部分と前記第４開閉弁との間の前記酸化剤排出流路に設けられ、前記燃料電池スタックの運転が停止される場合に、前記制御装置は、前記第３開閉弁及び前記第４開閉弁に前記弁閉鎖指令信号を出力してもよい。これにより、第２開閉弁及び第４開閉弁が開状態で固着したことを検出することができる。
１０…燃料電池システム １５…制御装置
１８…燃料電池スタック ２２…酸化剤ガス供給装置
２４…燃料ガス供給装置 ２８…コンプレッサ
６０、６０Ａ、６０Ｂ…酸化剤供給流路 ６２…酸化剤排出流路
６４…バイパス流路 ７２…燃料供給流路
７４…燃料排出流路 ９９…排出流路
１１８…供給側封止弁 １２０…排出側封止弁
１２２…バイパス弁 １６２…ドレイン流路
１６４…ドレイン弁 ２００…ケース
２０２…分岐流路 ２０４…ガスセンサ

Claims (4)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックを覆うケースと、
    前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給流路と、
    前記燃料電池スタックから酸化剤排ガスを排出する酸化剤排出流路と、
    前記酸化剤供給流路と前記酸化剤排出流路とに接続され、前記燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、
    前記バイパス流路から分岐し、前記ケースの内部と連通する分岐流路と、
    前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスの一部と共に液水を排出するドレイン流路と、
    前記酸化剤排出流路と前記ドレイン流路との合流部分に接続され、前記酸化剤排ガス及び前記液水を外部へ排出する排出流路と、
    前記バイパス流路に設けられる第１開閉弁と、
    前記ドレイン流路に設けられる第２開閉弁と、
    前記合流部分から前記ケースへ流れ込む前記燃料ガスを検出可能な少なくとも１つのガスセンサと、
    前記燃料電池スタックの運転が停止され、前記酸化剤供給流路に前記酸化剤ガスが流れていない場合に、弁開放指令信号を前記第１開閉弁に出力すると共に、弁閉鎖指令信号を前記第２開閉弁に出力した後、前記ガスセンサによる前記燃料ガスの検出結果を監視する制御装置と、
    を備える、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、
    前記ガスセンサは、前記ケースの内部又は前記分岐流路に設けられる、燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化剤供給流路と前記バイパス流路との第１接続部分と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤供給流路に設けられる第３開閉弁と、
    前記酸化剤排出流路と前記バイパス流路との第２接続部分と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤排出流路に設けられる第４開閉弁と、
    を備え、
    前記ガスセンサは、前記第２接続部分と、前記合流部分との間の前記酸化剤排出流路に設けられ、
    前記燃料電池スタックの運転が停止される場合に、前記制御装置は、前記第３開閉弁及び前記第４開閉弁に前記弁閉鎖指令信号を出力する、燃料電池システム。
  4. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化剤供給流路と前記バイパス流路との第１接続部分と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤供給流路に設けられる第３開閉弁と、
    前記酸化剤排出流路と前記バイパス流路との第２接続部分と、前記燃料電池スタックとの間の前記酸化剤排出流路に設けられる第４開閉弁と、
    を備え、
    前記ガスセンサは、前記第２接続部分と前記第４開閉弁との間の前記酸化剤排出流路に設けられ、
    前記燃料電池スタックの運転が停止される場合に、前記制御装置は、前記第３開閉弁及び前記第４開閉弁に前記弁閉鎖指令信号を出力する、燃料電池システム。

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