JP7421980B2 - 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスを循環させる循環ポンプを備えた燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池スタックに反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給して燃料電池スタック内での電気化学反応により発電を行う。この種の燃料電池システムの中には、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタックへの反応ガスの循環流量を確保するために燃料電池スタックから排出される反応オフガス（発電に使用されなかった反応ガスを含む）を、燃料ガス供給路に循環させる循環ポンプを備えたものがある。

また、特許文献１に開示の燃料電池システムは、コストや小型化の観点からセンサを備えない（センサレスの）モータを有する循環ポンプを適用している。この場合、燃料電池システムは、インバータから循環ポンプのモータに供給する三相交流電流を電流センサにより検出し、この検出信号に基づき循環ポンプの回転数を算出している。

特許第４２４８２２５号公報

ところで、燃料電池システムは、低温環境下（例えば、氷点下以下）において反応ガスに含まれる水蒸気が循環ポンプ内で凍結することにより、循環ポンプの回転が阻害される可能性がある。特に、循環ポンプのロータに連結されるインペラと循環ポンプの筐体が固着している場合には、インバータからの電力供給に基づきロータ及びインペラが振動することになる。

このようにロータ及びインペラが振動すると、燃料電池システムの制御部は、循環ポンプのモータから生じる誘起電圧に伴う電流を電流センサが検出することで、誤った回転数を演算してしまう。制御部は、誤った回転数に基づき燃料電池スタックに供給する反応ガスの供給量を変化させた場合に、燃料電池スタックへの反応ガスの供給量が不足する等の不都合を生じさせる可能性がある。さらに、燃料電池スタックは、燃料ガス不足の機会が増加することで劣化し易くなるという不都合が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、簡単な構成によって循環ポンプの正常又は異常を良好に判断することで、必要な対応を早期にとることができる燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給路と、前記燃料電池スタックから排出される反応オフガスを前記反応ガス供給路に循環させる反応ガス循環路と、前記反応ガス循環路に設けられ、回転検出センサを備えないモータで駆動される循環ポンプと、前記モータの回転を制御する制御部と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記制御部により、起動時に前記モータを回転させて当該モータの回転数が所定値に到達した後に、前記モータに供給する電力を遮断する第１工程と、前記第１工程後に前記モータが惰性で回転する惰性期間において、前記制御部により、前記モータの前記回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定する第２工程とを有し、前記制御部は、前記第２工程において、前記回転数が前記規定値以下になった場合に、前記循環ポンプの異常を判定する。

また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給路と、前記燃料電池スタックから排出される反応オフガスを前記反応ガス供給路に循環させる反応ガス循環路と、前記反応ガス循環路に設けられ、回転検出センサを備えないモータで駆動される循環ポンプと、前記モータの回転を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、起動時に前記モータを回転させて当該モータの回転数が所定値に到達した後に、前記モータに供給する電力を遮断し、遮断後に前記モータが惰性で回転する惰性期間において、前記モータの前記回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定し、前記回転数が前記規定値以下になった場合に、前記循環ポンプの異常を判定する。

上記の燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムは、モータが惰性で回転する惰性期間においてモータの回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定することで、ポンプの正常又は異常を短時間且つ良好に判断することができる。これにより、燃料電池システムは、必要な対応を早期に図ることができる。例えば、燃料電池システムは、反応ガス供給路からの燃料電池スタックへの反応ガスの供給量を増加させる、循環ポンプの解凍を促す制御を行う等の対応を採ることが可能となる。結果的に、燃料電池システムは、反応ガスの供給量の不足機会を低減して、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 循環ポンプの通常制御を行うＥＣＵ内の構成を示すブロック図である。 目標回転数と推定回転数の関係を示すグラフである。 燃料電池システムの起動時のＥＣＵ内の構成を示すブロック図である。 起動時に各モードにおいてインバータが出力する電流の状態を示すグラフである。 燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 循環ポンプが正常の場合と異常の場合の推定回転数の推移を例示するグラフである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２、燃料ガス系装置１４、酸化剤ガス系装置１６及び冷却装置１８を備える。この燃料電池システム１０は、燃料電池自動車（以下、単に車両１１という）のモータルームに搭載される。燃料電池システム１０は、車両１１のバッテリＢｔや走行用モータ（不図示）等に燃料電池スタック１２の発電電力を供給する。なお、燃料電池システム１０は、車両１１に搭載されることに限定されず、例えば定置型システムの用途に用いられてもよい。

燃料電池スタック１２は、反応ガスである燃料ガス（水素ガス、アノードガス）及び酸化剤ガス（エアに含まれる酸素、カソードガス）の電気化学反応により発電を行う発電セル２０を複数備える。複数の発電セル２０は、燃料電池スタック１２を車両１１に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車幅方向に沿って積層されている。なお、複数の発電セル２０は、車両１１の車長方向（前後方向）や重力方向に積層されていてもよい。

各発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２（以下、「ＭＥＡ２２」という）と、ＭＥＡ２２を挟持する一対のセパレータ２４（第１及び第２セパレータ２４ａ、２４ｂ）とで構成される。ＭＥＡ２２は、電解質膜２６（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜２６の一方面に積層されたアノード電極２８と、電解質膜２６の他方面に積層されたカソード電極３０と、を有する。第１セパレータ２４ａは、ＭＥＡ２２との間に、セパレータ面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路３２を形成する。第２セパレータ２４ｂは、ＭＥＡ２２との間に、セパレータ面に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路３４を形成する。また、複数の発電セル２０の積層により第１セパレータ２４ａと第２セパレータ２４ｂ同士の間には、セパレータ面に沿って冷媒を流通させる冷媒流路３６が形成される。

さらに、燃料電池スタック１２は、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の各々を、積層体２１の積層方向に沿って流通させる図示しない複数の連通孔（燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔、冷媒連通孔）を備える。燃料ガス連通孔は燃料ガス流路３２に、酸化剤ガス連通孔は酸化剤ガス流路３４に、冷媒連通孔は冷媒流路３６に、それぞれ連通している。

燃料電池スタック１２には、燃料ガス系装置１４により燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１２内において燃料ガスは、燃料ガス連通孔（燃料ガス入口連通孔）を流通して燃料ガス流路３２に流入し、アノード電極２８において発電に使用される。発電に使用されていない（未反応の）燃料ガス及び水を含む燃料オフガスは、燃料ガス流路３２から燃料ガス連通孔（燃料ガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２から燃料ガス系装置１４に排出される。

また、燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス系装置１６により酸化剤ガスが供給される。燃料電池スタック１２内において酸化剤ガスは、酸化剤ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔）を流通して酸化剤ガス流路３４に流入し、カソード電極３０において発電に使用される。発電に使用されない（未反応の）酸化剤ガス及び水を含む酸化剤オフガスは、酸化剤ガス流路３４から酸化剤ガス連通孔（酸化剤ガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２から酸化剤ガス系装置１６に排出される。

さらに、燃料電池スタック１２には、冷却装置１８により冷媒が供給される。燃料電池スタック１２内において冷媒は、冷媒連通孔（冷媒入口連通孔）を流通して冷媒流路３６に流入し、発電セル２０を温度調整する。発電セル２０を温度調整した冷媒は、冷媒流路３６から冷媒連通孔（冷媒出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２から冷却装置１８に排出される。

また、本実施形態に係る燃料ガス系装置１４は、燃料電池スタック１２から排出される燃料オフガス（未反応の燃料ガス）を、燃料ガスの供給側に循環させる循環回路を形成している。以下、この燃料ガス系装置１４について、具体的に説明していく。

燃料ガス系装置１４は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路４０と、燃料電池スタック１２から燃料オフガスを排出する燃料ガス排出路４２と、を有する。また、燃料ガス供給路４０と燃料ガス排出路４２の間には、燃料ガス排出路４２の燃料オフガスを燃料ガス供給路４０に循環させる燃料ガス循環路４４が設けられている。この燃料ガス循環路４４には、燃料オフガスを排出するパージ路４６が接続されている。

燃料ガス供給路４０の上流端には、高圧の燃料ガスを貯留するタンク４８が接続されている。タンク４８は、インタンク電磁弁（不図示）の開閉及び途中に設けられた減圧弁（不図示）に基づき燃料ガスを燃料ガス供給路４０に流出する。

また、タンク４８の下流側の燃料ガス供給路４０には、燃料電池スタック１２に供給する燃料ガスの流量を調整するインジェクタ５０が設けられている。インジェクタ５０は、燃料電池システム１０の運転時に、燃料ガス供給路４０よりも上流側（高圧側）で開閉して、下流側（低圧側）に所定量の燃料ガスを吐出する。なお図１中では、インジェクタ５０を１つ設置する構成としたが、インジェクタ５０は燃料ガス供給路４０に複数設置されてもよい。複数のインジェクタ５０を設置する場合に、一部のインジェクタ５０は後記のエジェクタ５２をバイパスするバイパス経路（不図示）に設けられてもよい。

燃料ガス供給路４０のインジェクタ５０の下流側には、エジェクタ５２が設けられている。エジェクタ５２は、インジェクタ５０から吐出された燃料ガスの移動に伴い発生する負圧により、燃料ガス循環路４４から燃料オフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する。

また、燃料ガス排出路４２と燃料ガス循環路４４の間には、燃料オフガスに含まれる液体（発電時に生成される液水）と気体（燃料ガス、水蒸気、窒素ガス等）を分離する気液分離器５６が設けられる。気液分離器５６の底部には、分離した液体を排出するドレイン路６０の一端が接続される。ドレイン路６０は、流路を開閉するドレイン弁６０ａを有し、パージ路４６に接続されている。パージ路４６は、燃料ガス循環路４４から燃料ガス、窒素ガスを排出することで、エジェクタ５２よりも下流側の燃料ガス供給路４０、燃料ガス排出路４２及び燃料ガス循環路４４により構成される循環経路の内部の水素ガス濃度を高める。パージ路４６のドレイン路６０の接続箇所よりも上流側には、流路を開閉するパージ弁４６ａが設けられている。

燃料ガス循環路４４は、気液分離器５６の上部に接続され、液水が分離した燃料オフガスを流通させる。燃料ガス循環路４４には、燃料オフガスを燃料ガス供給路４０に循環させる循環ポンプ６４が設けられる。また、燃料ガス系装置１４は、循環ポンプ６４の周辺環境の温度を検出する温度センサ６２を備える。

温度センサ６２は、循環ポンプ６４自体の温度を直接検出するものでもよく、燃料ガス系装置１４に従来設けられている温度センサを利用してもよい。例えば、燃料ガス系装置１４に従来設けられている温度センサ６２としては、燃料電池スタック１２から排出される燃料オフガスの温度を検出するために、燃料ガス排出路４２や気液分離器５６に設けられた温度センサがあげられる。

循環ポンプ６４は、図示しないステータ及びロータを備えるポンプ用モータ６６と、ロータに連結されたインペラ６８と、を有する。インペラ６８は、燃料ガス循環路４４に連通するポンプ筐体（不図示）の空間内で回転することで、空間内の燃料オフガスを循環させる。また、本実施形態に係る循環ポンプ６４は、ロータ又はインペラ６８の回転数を直接検出するエンコーダ等の回転検出センサを備えていないセンサレスタイプに構成されている。

ポンプ用モータ６６は、三相交流電力の供給下にロータを回転させる交流モータである。このため、ポンプ用モータ６６には、３相交流用の配線７０ｕ、７０ｖ、７０ｗを介してインバータ７２が接続されている。また本実施形態に係るポンプ用モータ６６は、交流電流の周波数に同期して回転する同期型モータに構成されている。

３つの配線７０ｕ、７０ｖ、７０ｗの各々には、ポンプ用モータ６６に供給される交流電流の状態を検出する電流センサ７４が設けられている。詳細には、電流センサ７４は、配線７０ｕに設けられた電流センサ７４ａ、配線７０ｖに設けられた電流センサ７４ｂ、及び配線７０ｗに設けられた電流センサ７４ｃを含む。各電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、配線７０ｕ、７０ｖ、７０ｗを流れる電流の振幅及び周期（換言すれば、パルス形状）を検出可能な適宜のものが適用される。

インバータ７２は、配線７６を介して電力供給源であるバッテリＢｔに接続されている。なお図示は省略するがインバータ７２とバッテリＢｔの間の配線７６には、バッテリＢｔの供給電圧を降圧するコンバータ等が設けられてもよい。インバータ７２は、バッテリＢｔから供給される直流電力を三相交流電力に変換し、配線７０ｕ、７０ｖ、７０ｗの各々に変換した三相交流電力を出力する。また、インバータ７２は、燃料ガス系装置１４を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit：制御部）８０に通信可能に接続され、ＥＣＵ８０の動作指令に基づきポンプ用モータ６６に供給する三相交流電力の電流、電圧、周期等を制御する。

バッテリＢｔは、燃料電池スタック１２において発電した電力、走行用モータからの回生電力が供給されることで充電を行なう。またバッテリＢｔは、パワートレイン（図１中ではインバータ７２）の制御下に適宜の電力をインバータ７２に放電する。

ＥＣＵ８０は、プロセッサ８２、メモリ８４、入出力インタフェース８６を有するコンピュータに構成されている。ＥＣＵ８０には、上記の温度センサ６２及び電流センサ７４（電流センサ７４ａ～７４ｃ）と、燃料電池システム１０全体を制御する発電ＥＣＵ８８（図２参照）とが通信可能に接続されている。なお、ＥＣＵ８０は、発電ＥＣＵ８８内に設けられていてもよい。燃料電池スタック１２の通常発電において、ＥＣＵ８０は、メモリ８４に記憶された図示しないプログラムをプロセッサ８２が実行することで、図２に示すような機能部を内部に構築して、燃料ガス系装置１４の動作を制御する。

図２に示すように、ＥＣＵ８０の内部には、燃料ガス供給量設定部９０、インジェクタ制御部９２、ポンプ通常制御部９４、ポンプ駆動制御部９６及び推定回転数算出部９８が構築される。

燃料ガス供給量設定部９０は、発電ＥＣＵ８８の発電要求量に基づき燃料電池スタック１２に供給する燃料ガスの供給量を設定する。インジェクタ制御部９２は、燃料ガス供給量設定部９０が設定した燃料ガスの供給量に基づきインジェクタ５０の動作内容（すなわち、タンク４８側から吐出する燃料ガスの量）を演算し、この動作内容に基づきインジェクタ５０を制御する。

一方、ポンプ通常制御部９４は、燃料ガス供給量設定部９０が設定した燃料ガスの供給量に基づき循環ポンプ６４の目標回転数（すなわち、燃料ガス循環路４４から循環させる燃料オフガスの量）を演算する。ポンプ駆動制御部９６は、この循環ポンプ６４の目標回転数に基づき循環ポンプ６４に供給する三相交流電力の状態を設定して、これに応じた動作指令をインバータ７２に出力する。これによりインバータ７２は、目標回転数に合わせて三相交流電力を供給しポンプ用モータ６６を回転させる。

そして、推定回転数算出部９８は、ＥＣＵ８０に入力される電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの検出信号に基づき、ポンプ用モータ６６の推定回転数を算出する。具体的には、ポンプ用モータ６６は、三相交流電力の供給時に通電していない（オフとなっている）相が存在し、ＥＣＵ８０は、この通電していない相の電流センサ７４の検出信号を受信し、検出電流の所定点（例えばゼロ点）に基づきロータの位置を検出する。そして推定回転数算出部９８は、ロータの位置を監視することで、ポンプ用モータ６６の実際の回転数を算出（推定）する。また、ポンプ駆動制御部９６は、算出された推定回転数が入力（フィードバック）されることで、この推定回転数が目標回転数に一致するようにインバータ７２に対する動作指令を調整する。

ここで、氷点下（０℃以下）等の低温環境において車両１１が駆動停止していた場合は、既述したように燃料オフガスに水蒸気が含まれていたことにより、循環ポンプ６４のポンプ筐体内でこの水蒸気が凍結して氷となる。この際、ポンプ筐体の内壁（不図示）とインペラ６８が固着し、インペラ６８が回転不能状態となる場合がある。

ただし、インバータ７２からの電力供給がなされると、ポンプ用モータ６６のロータ及びインペラ６８は、回転不能に固着した状態でも振動する。例えば、ロータが連結されたインペラ６８は、１６ｋ～４０ｋＨｚ程度の範囲の固有振動周期で振動することで、ポンプ用モータ６６から固有振動周期に応じた誘起電圧（誘導起電力）をステータに生じさせる。電流センサ７４がこの誘起電圧に伴う電流を検出すると、ＥＣＵ８０は、振動の周期に基づき高い推定回転数（例えば、１３０００ｒｐｍ程度）を算出し、ポンプ用モータ６６がこの推定回転数で回転していると認識してしまう。

以下、図３のグラフを参照して、循環ポンプ６４の凍結時に推定回転数が高まる状況についてさらに詳述する。従来は、車両１１の停車状態から起動を開始すると、燃料電池スタック１２を通常どおり発電するために通常制御を実施し、図３において点線で示すように、時点ｔａのタイミングで略一定のポンプ用モータ６６の目標回転数を設定する。この目標回転数に応じた動作指令に基づき、インバータ７２は、ポンプ用モータ６６に供給する電力を制御する。

ここで、低温環境により循環ポンプ６４のポンプ筐体内でインペラ６８が凍結して固着状態（又は解凍中）になっていた場合には、インペラ６８が振動する。そのため、従来は、所定の電流センサ７４（電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃのうちオフとなっている相）から検出した誘起電圧に伴う電流の検出信号を受信すると、図３において実線７８で示すように、インペラ６８が振動したタイミングで所定の目標回転数を超える推定回転数を算出することになる。

例えば、凍結によりインペラ６８が固着している場合には、固着状態から動き出そうとすることでロータが振動し、目標回転数を超えるように急激に上昇し、その後に急激に下降するような山形の推定回転数が算出される（図３の時点ｔａ～時点ｔｂ参照）。或いは、固着状態のインペラ６８が解凍している過程でも、ロータが振動することで、インペラ６８が固着から抜け出すまで目標回転数よりも高い推定回転数を定常的に算出し続ける（図３の時点ｔｂ以降参照）。

従って、この推定回転数に基づき、例えばインジェクタ５０からの燃料ガスの吐出量を抑える制御、或いは循環ポンプ６４の回転を抑える制御を実施すると、燃料電池スタック１２への燃料ガスの供給が不足するようになる。また燃料ガスの供給不足の機会が多くなると、燃料電池スタック１２は、劣化が早まるようになる。

このため、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、低温環境における起動時において、図４に示すようにＥＣＵ８０内に起動制御部１００を構築し、循環ポンプ６４の凍結を判断するための起動凍結判定制御を行う。起動制御部１００の内部には、温度判定部１０２、インジェクタ監視部１０４、起動時回転手順設定部１０６、回転数判定部１０８、経過時間判定部１１０及び異常判定部１１２が設けられる。

温度判定部１０２は、起動凍結判定制御を実施する条件として、温度センサ６２の検出信号に基づき燃料電池システム１０の周辺が低温環境下にあるか否かを判定する。起動凍結判定制御を実施する温度条件は、特に限定されず、例えば、周辺の温度が０°以下であることを条件とする。なお、燃料電池システム１０は、起動時に温度判定を行なわずに、起動凍結判定制御を直ちに実施する構成でもよい。

インジェクタ監視部１０４は、インジェクタ制御部９２の制御内容又はインジェクタ５０自体の動作を監視し、インジェクタ５０が動作することにより燃料電池スタック１２に燃料ガスが供給されているか否かを判断する。すなわち、循環ポンプ６４は、インジェクタ５０が動作していると、燃料電池スタック１２、燃料ガス排出路４２、燃料ガス循環路４４の順に燃料ガスが流通することでインペラ６８が従動回転する。このインペラ６８の従動回転とインペラ６８の固着状態における振動とを区別するために、起動制御部１００は、インジェクタ５０が非作動状態であることを条件に起動凍結判定制御を実施する構成としている。

起動時回転手順設定部１０６は、起動凍結判定制御の実施において予め設定した手順（モード順）に沿ってポンプ用モータ６６を回転させる。つまり起動時回転手順設定部１０６は、モードに基づく目標回転数を順次設定し、上記のポンプ駆動制御部９６に出力する。これによりポンプ駆動制御部９６は、モード毎の目標回転数に基づき、インバータ７２に駆動指令を出力する。

例えば、図５に示すように、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１０の起動開始後に、時点ｔ０までの間に起動凍結判定制御の実施の温度判定を行い、起動凍結判定制御を行う制御フラグを立ち上げる。これにより起動時回転手順設定部１０６は、まず時点ｔ０～ｔ１までの期間においてポンプ用モータ６６の回転を停止させた停止モードを実施する。

次に、起動時回転手順設定部１０６は、時点ｔ１～ｔ２の期間においてロータの停止位置を検出するために位置確認モードを実施する。この位置確認モードでは、例えば、三相交流電流の波形について、一相をオフ（ゼロ）としたまま他の二相をプラスマイナスが逆で且つパルス幅が充分に短い波形の電流をインバータ７２から出力させて、ポンプ用モータ６６に通電を行なう。これによりポンプ用モータ６６はロータの位置を一旦固定し、この際の電流センサ７４の検出信号に基づき、ＥＣＵ８０の推定回転数算出部９８がロータ位置を捉える。

ロータの位置の検出後（時点ｔ２の後）に、起動時回転手順設定部１０６は、時点ｔ２～ｔ３の期間において確定通電モードを実施する。この確定通電モードでは検出したロータ位置に基づき、所定の二相に対してプラスマイナスが逆でパルス幅が充分に長い電流を出力させる。

さらに、時点ｔ３～ｔ４の期間において、起動時回転手順設定部１０６は、初期加速通電モードを実施する。初期加速通電モードでは、三相交流の位相を比較的長い周期から徐々に周期を狭めるようにシフトさせていくことでロータを緩やか且つ高トルクで回転させる。これにより、ポンプ用モータ６６は、徐々に回転数を上げていく。

この際、回転数判定部１０８は、推定回転数算出部９８が算出する推定回転数を取得し、推定回転数が所定値（回転数閾値Ｔｈｒ）以上となったか否かを判定する。回転数閾値Ｔｈｒは、誘起電圧の検出が可能な回転数（例えば、３００ｒｐｍ）以上であれば特に限定されず、１０００ｒｐｍ～４０００ｒｐｍ程度の範囲に設定されるとよい。本実施形態では回転数閾値Ｔｈｒを２５００ｒｐｍとしている。回転数判定部１０８は、推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ未満の場合には、初期加速通電モードを継続する一方で、推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ以上の場合には、次の惰性運転モードに移行する。なお、停止モードから初期加速通電モードまでの期間（時点ｔ０～ｔ４）は、数百ｍｓ程度の短い期間であり、ポンプ用モータ６６の回転遅延に影響が出るものはない。

時点ｔ４後の惰性運転モードにおいて、起動時回転手順設定部１０６は、ポンプ用モータ６６に供給する三相交流電力を一時的に遮断（停止）し、ポンプ用モータ６６のロータ及びインペラ６８を惰性で回転させる。そして惰性運転モードの実施期間（惰性期間）中に、起動制御部１００は、ロータの回転状態を確認することで、循環ポンプ６４の凍結判定を実施する。

すなわち、惰性運転モードでは、ポンプ用モータ６６を回転させる通電を行なっていないため、循環ポンプ６４が凍結していない（インペラ６８が固着していない）場合には惰性で回転し続けて徐々に回転数が低下する。その一方で、循環ポンプ６４が凍結している（インペラ６８が固着している）場合には、ロータやインペラ６８の振動がなくなるので、仮に惰性運転モード前にロータやインペラ６８の振動に基づき推定回転数を高く算出しても、その推定回転数が急激に低下して回転しなくなる（推定回転数がゼロになる）。

そのため、起動制御部１００は、惰性運転モードを行なう時点ｔ４後に、経過時間判定部１１０により時間を計測し、惰性運転モードの実施期間（カウント時間が所定の時間閾値Ｔｈｔ（所定時間）となったか否か）を判定する。時間閾値Ｔｈｔは、任意に設計することが可能であり、例えば、２０ｍｓ～２００ｍｓ程度の短い時間でよく、本実施形態では３０ｍｓとしている。経過時間判定部１１０によりカウント時間が時間閾値Ｔｈｔを超えたことが判定されると、起動制御部１００は、異常判定部１１２により、循環ポンプ６４の正常又は異常（すなわち循環ポンプ６４が凍結しているか否か）を判定する。なお、惰性運転モードは、時間閾値Ｔｈｔの経過後に継続する（惰性運転モードの実施期間が時間閾値Ｔｈｔよりも長い）設定でもよい。

具体的には、異常判定部１１２は、惰性運転モードを所定期間実施した後に、電流センサ７４の検出信号に基づき、ロータ及びインペラ６８の回転数を監視する。すなわち、循環ポンプ６４が正常（非凍結）の場合には、所定期間経過後もロータ及びインペラ６８が回転を継続している。その一方で、循環ポンプ６４が異常（凍結）の場合には、ロータ及びインペラ６８が凍結により固着（回転不能）状態となっていることで、所定期間経過後にはロータ及びインペラ６８の振動が収まり、算出される回転数がゼロ（又はゼロ付近）となる。

そのため、異常判定部１１２は、電流センサ７４の検出信号に基づき推定された推定回転数と、予め保有している異常判定閾値Ｔｈａ（ポンプ用モータ６６の回転数の値：規定値）とを比較する。異常判定閾値Ｔｈａは、惰性運転モードの実施前の回転数にも依るが、３００ｒｐｍ以下に設定することが好ましく、本実施形態では０ｒｐｍに設定している。

なお、惰性運転モードにおいてインバータ７２はポンプ用モータ６６に三相交流電力を供給していない。このため３つの電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの各々は、ポンプ用モータ６６の誘起電圧（誘導起電力）に伴う電流を純粋に検出することができる。そして、推定回転数算出部９８は、各電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの検出信号を用いてポンプ用モータ６６の推定回転数を算出する（又は補正等を行なう）ことで、惰性運転モードにおける推定回転数をより精度よく得ることができる。

異常判定部１１２は、推定回転数が異常判定閾値Ｔｈａを超える場合に、循環ポンプ６４の正常（非凍結）を判定する一方で、推定回転数が異常判定閾値Ｔｈａ以下の場合に、循環ポンプ６４の異常（凍結）を判定する。

そして、循環ポンプ６４が正常の場合、惰性運転モード後、起動制御部１００は起動凍結判定制御を終了し、ＥＣＵ８０は、直ちに、ポンプ通常制御部９４が設定した目標回転数に一致するようにポンプ用モータ６６を回転させる通常制御を実施する。これにより、ＥＣＵ８０は、惰性運転モードを実施してもポンプ用モータ６６の回転を殆ど下げることなく通常制御に移行することができる。

一方、循環ポンプ６４が異常の場合には、惰性運転モード後、起動制御部１００は起動凍結判定制御を終了すると、ＥＣＵ８０は、循環ポンプ６４の異常に応じた異常時制御を行う。例えば、異常時制御としては、循環ポンプ６４の解凍を促す制御、インジェクタ５０の吐出量を増加させる制御を行うことがあげられる。これにより、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１２に対して燃料ガスを適切に供給することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下燃料電池システム１０の運転方法について説明する。

燃料電池システム１０の燃料ガス系装置１４は、起動時に、低温環境下における循環ポンプ６４の凍結又は非凍結を判断するために起動凍結判定制御を実施する。この際、上記したように、温度センサ６２により循環ポンプ６４周辺の温度を検出し、ＥＣＵ８０の温度判定部１０２は、検出した温度に基づき低温環境下にあるか否かを判定し、低温環境下にある場合に起動凍結判定制御を実施する。この起動凍結判定制御において、ＥＣＵ８０は、図６に示すフローチャートの処理フローに沿って処理を行う。

この場合、ＥＣＵ８０は、まず、インジェクタ監視部１０４においてインジェクタ制御部９２の動作内容を確認して、インジェクタ５０が動作している否かを判定する（ステップＳ１）。そして、インジェクタ５０が動作している場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、インジェクタ制御部９２にインジェクタ５０を一時的に停止する指示を行なうと共に、インジェクタ５０による燃料ガスの吐出の影響がなくなるまで所定時間待機する（ステップＳ２）。

インジェクタ５０が動作していない場合（ステップＳ１：ＮＯ）又はステップＳ２の実施後、起動時回転手順設定部１０６は、上記の手順に沿ってポンプ駆動制御部９６を介してインバータ７２に動作指令を出力し、循環ポンプ６４を回転させる（ステップＳ３）。すなわち、起動時回転手順設定部１０６は、停止モード、位置確認モード、確定通電モード、初期加速通電モードを順次実施する。

そして初期加速通電モードの実施時に、推定回転数算出部９８は、各電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃのうちオフとなっている電流センサ７４の検出信号に基づきポンプ用モータ６６の推定回転数を算出する（ステップＳ４）。また、回転数判定部１０８は、ポンプ用モータ６６の推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ以上となったか否かを監視する（ステップＳ５）。推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ未満の場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、ステップＳ４に戻り、同様の処理を繰り返す。一方、推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ以上の場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、起動時回転手順設定部１０６は、ポンプ駆動制御部９６を介してインバータ７２の動作指令を停止することで、ポンプ用モータ６６への三相交流電力の供給を停止する（第１工程）。つまり惰性運転モードを実施する。また経過時間判定部１１０は、惰性運転モードの開始から計時を行い、カウント時間が時間閾値Ｔｈｔを超えたか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、カウント時間が時間閾値Ｔｈｔ未満の場合（ステップＳ７：ＮＯ）には、この処理フローを継続し、カウント時間が時間閾値Ｔｈｔを超えた場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、推定回転数算出部９８は、惰性運転モードにおけるポンプ用モータ６６の推定回転数を算出する。この際、推定回転数算出部９８は、電流センサ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの各々の検出信号に基づきポンプ用モータ６６の推定回転数を算出する。

異常判定部１１２は、この算出された推定回転数と異常判定閾値Ｔｈａとを比較する（ステップＳ９：第２工程）。そして、推定回転数が異常判定閾値Ｔｈａを超えている場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）には、循環ポンプ６４が正常、つまり循環ポンプ６４が凍結していないことを判定する（ステップＳ１０）。一方、推定回転数が異常判定閾値Ｔｈａ以下の場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、循環ポンプ６４が異常、つまり循環ポンプ６４が凍結していることを判定する（ステップＳ１１）。

以上の処理フローを実施することにより、起動制御部１００は、起動凍結判定制御を終了する。ＥＣＵ８０は、循環ポンプ６４が正常の場合に通常制御を実施し、ポンプ通常制御部９４が設定した目標回転数に一致するようにポンプ用モータ６６を回転させる。一方、ＥＣＵ８０は、循環ポンプ６４が異常の場合に適宜の異常時制御（循環ポンプ６４の解凍を促す制御、インジェクタ５０の吐出量を増加させる制御等）を実施する。

次に、図７を参照して、正常時（非凍結時）の循環ポンプ６４の推定回転数と、異常時（凍結時）の循環ポンプ６４の推定回転数との時間変化について説明する。なお、図７中における時点ｔ０、ｔ３、ｔ４、ｔ５は、図５中の時点ｔ０、ｔ３、ｔ４、ｔ５にそれぞれ対応している。

時点ｔ３において、ＥＣＵ８０（起動時回転手順設定部１０６）は、上記したように初期加速通電モードを実施する。そのため、ポンプ用モータ６６の推定回転数は急激に上昇していく。この際、循環ポンプ６４が凍結していた場合には、インペラ６８及びロータが振動することで、推定回転数が山形状に変動する。

そして、推定回転数が所定の回転数（回転数閾値Ｔｈｒ）に達した時点ｔ４において、ＥＣＵ８０（起動時回転手順設定部１０６）は、上記したように惰性運転モードを実施する。この際、循環ポンプ６４が凍結していた場合には、山形状の推定回転数が所定値（回転数閾値Ｔｈｒ）を超えることで、ＥＣＵ８０は惰性運転モードに移行することになる。

惰性運転モードでは、インバータ７２からポンプ用モータ６６への三相交流電力の供給を停止することで、インペラ６８及びロータを惰性で回転させる。このため、循環ポンプ６４が凍結していない場合には、ポンプ用モータ６６の推定回転数が一旦低下する。そして上記したように惰性運転モード中に、上記した異常判定を行ない正常状態が判断されることで、惰性運転モードから所定時間（時間閾値Ｔｈｔ）が経過した時点ｔ５から通常制御に移行し、再び推定回転数が上昇する。通常制御では、ポンプ通常制御部９４が設定した目標回転数となるようにインバータ７２が制御されることで、推定回転数が目標回転数付近を変動する。

一方、循環ポンプ６４が凍結している場合には、惰性運転モードを実施すると、ポンプ用モータ６６の推定回転数が０ｒｐｍまで急激に低下する。そのため惰性運転モードから所定時間（時間閾値Ｔｈｔ）が経過した時点ｔ５では、推定回転数が０ｒｐｍ（異常判定閾値Ｔｈａ以下）となり、異常状態が判断されることになる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、燃料電池システム１０は、酸化剤ガス系装置１６において燃料電池スタック１２から排出される酸化剤オフガスを循環させる循環ポンプ（不図示）を設置している場合に、上記と同様にこの循環ポンプに対して起動凍結判定制御を実施してもよい。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

本発明の第１の態様は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に反応ガス（燃料ガス）を供給する反応ガス供給路（燃料ガス供給路４０）と、燃料電池スタック１２から排出される反応オフガス（燃料オフガス）を反応ガス供給路に循環させる反応ガス循環路（燃料ガス循環路４４）と、反応ガス循環路に設けられ、回転検出センサを備えないモータ（ポンプ用モータ６６）で駆動される循環ポンプ６４と、モータの回転を制御する制御部（ＥＣＵ８０）と、を備える燃料電池システム１０の運転方法であって、制御部により、起動時にモータを回転させて当該モータの回転数が所定値に到達した後に、モータに供給する電力を遮断する第１工程と、第１工程後にモータが惰性で回転する惰性期間（惰性運転モード）において、制御部により、モータの回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定する第２工程とを有し、制御部は、第２工程において、回転数が規定値以下になった場合に、循環ポンプ６４の異常を判定する。

上記の燃料電池システム１０の運転方法は、モータ（ポンプ用モータ６６）が惰性で回転する惰性期間においてモータの回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定することで、循環ポンプ６４が正常に動作しているか否かを良好に判断することができる。これにより、燃料電池システム１０は、循環ポンプ６４の正常又は異常を短時間に精度よく認識することができ、必要な対応を早期に図ることができる。例えば、燃料電池システム１０は、反応ガス供給路（燃料ガス供給路４０）からの燃料電池スタック１２への反応ガスの供給量を増加させる、循環ポンプ６４の解凍を促す制御を行う等の対応を採ることが可能となる。結果的に、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の劣化を抑制することができる。

また、モータ（ポンプ用モータ６６）は、三相交流電力の供給に基づき回転するものであり、モータに供給される三相交流電力の電流、及び惰性期間にてモータが生じた誘起電圧に基づく電流を検出する電流センサ７４を備え、モータの回転数は、制御部（ＥＣＵ８０）において電流センサ７４の検出信号に基づき算出される。このように、燃料電池システム１０は、センサを備えないモータを循環ポンプ６４に適用しても、惰性期間におけるモータの誘起電圧に基づく電流を電流センサ７４により検出することで、モータの回転数を正確に算出することができる。

また、電流センサ７４は、惰性期間における誘起電圧に基づく電流について三相全てを検出し、制御部（ＥＣＵ８０）は、検出された三相全ての電流に基づきモータ（ポンプ用モータ６６）の回転数を算出する。これにより、燃料電池システム１０は、モータの回転数をより精度よく算出することができる。

また、制御部（ＥＣＵ８０）は、反応ガス（燃料ガス）が燃料電池スタック１２に供給されている場合に、第１工程及び第２工程の実施を停止する。これにより、供給された反応ガスの流通により循環ポンプ６４の回転が加勢されている状況で、上記の第１工程及び第２工程の実施を回避することができ、循環ポンプ６４の正常又は異常の判定精度が低下するのを防止することができる。

また、反応ガス供給路は、反応ガスの一方である燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給する燃料ガス供給路４０であり、燃料ガス供給路４０は、燃料ガスを吐出するインジェクタ５０を備え、制御部（ＥＣＵ８０）は、インジェクタ５０の動作中に第１工程及び第２工程の実施を停止する。これにより、燃料電池システム１０は、インジェクタ５０により燃料ガスを吐出している際に、上記の第１工程及び第２工程の実施を防ぐことができる。

また、本発明の第２の態様は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に反応ガス（燃料ガス）を供給する反応ガス供給路（燃料ガス供給路４０）と、燃料電池スタック１２から排出される反応オフガス（燃料オフガス）を反応ガス供給路に循環させる反応ガス循環路（燃料ガス循環路４４）と、反応ガス循環路に設けられ、回転検出センサを備えないモータ（ポンプ用モータ６６）で駆動される循環ポンプ６４と、モータの回転を制御する制御部（ＥＣＵ８０）と、を備える燃料電池システム１０であって、制御部は、起動時にモータを回転させて当該モータの回転数が所定値に到達した後に、モータに供給する電力を遮断し、遮断後にモータが惰性で回転する惰性期間において、モータの回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定し、回転数が規定値以下になった場合に、循環ポンプ６４の異常を判定する。これにより、燃料電池システム１０は、循環ポンプ６４が正常に動作しているか否かを良好に判断することで、必要な対応を早期にとることができる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
４０…燃料ガス供給路 ４４…燃料ガス循環路
５０…インジェクタ ６４…循環ポンプ
６６…ポンプ用モータ ７０ｕ、７０ｖ、７０ｗ…配線
７２…インバータ ７４、７４ａ、７４ｂ、７４ｃ…電流センサ
８０…ＥＣＵ

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給路と、
   前記反応ガス供給路に設けられ、前記反応ガスを吐出するインジェクタと、
   前記燃料電池スタックから排出される反応オフガスを、前記インジェクタよりも下流の前記反応ガス供給路に循環させる反応ガス循環路と、
   前記反応ガス循環路に設けられ、回転検出センサを備えないモータで駆動される循環ポンプと、
   前記モータの回転を制御する制御部と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記制御部により、前記モータを回転させて当該モータを起動させ、その後前記モータの回転数が所定値に到達した後に、前記モータに供給する電力を遮断する第１工程と、
   前記第１工程後に前記モータが惰性で回転する惰性期間において、前記制御部により、前記モータの前記回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定する第２工程と、を有し、
   前記制御部は、前記第２工程において、前記回転数が前記規定値以下になった場合に、前記循環ポンプの異常を判定し、
   前記モータの起動時に前記インジェクタが動作中である場合、前記制御部は、前記第１工程を実施する前に前記インジェクタを停止する
   燃料電池システムの運転方法。
2. 請求項１記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記モータは、三相交流電力の供給に基づき回転するものであり、
   前記モータに供給される前記三相交流電力の電流、及び前記惰性期間にて前記モータが生じた誘起電圧に基づく電流を検出する電流センサを備え、
   前記モータの前記回転数は、前記制御部において前記電流センサの検出信号に基づき算出される
   燃料電池システムの運転方法。
3. 請求項２記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記電流センサは、前記惰性期間における前記誘起電圧に基づく電流について三相全てを検出し、
   前記制御部は、検出された前記三相全ての電流に基づき前記モータの前記回転数を算出する
   燃料電池システムの運転方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記制御部は、前記反応ガスが前記燃料電池スタックに供給されている場合に、前記第１工程及び前記第２工程の実施を停止する
   燃料電池システムの運転方法。
5. 請求項４記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記反応ガス供給路は、前記反応ガスの一方である燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給路であり、
   前記制御部は、前記インジェクタの動作中に前記第１工程及び前記第２工程の実施を停止する
   燃料電池システムの運転方法。
6. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給路と、
   前記反応ガス供給路に設けられ、前記反応ガスを吐出するインジェクタと、
   前記燃料電池スタックから排出される反応オフガスを、前記インジェクタよりも下流の前記反応ガス供給路に循環させる反応ガス循環路と、
   前記反応ガス循環路に設けられ、回転検出センサを備えないモータで駆動される循環ポンプと、
   前記モータの回転を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記モータを回転させて当該モータを起動させ、その後前記モータの回転数が所定値に到達した後に、前記モータに供給する電力を遮断し、遮断後に前記モータが惰性で回転する惰性期間において、前記モータの前記回転数が所定時間内に規定値以下になったか否かを判定し、
   前記回転数が前記規定値以下になった場合に、前記循環ポンプの異常を判定し、
   前記モータの起動時に前記インジェクタが動作中である場合、前記制御部は、前記モータを回転させる前に前記インジェクタを停止する
   燃料電池システム。

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