JP7450433B2 - 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

燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP7450433B2
JP7450433B2 JP2020059939A JP2020059939A JP7450433B2 JP 7450433 B2 JP7450433 B2 JP 7450433B2 JP 2020059939 A JP2020059939 A JP 2020059939A JP 2020059939 A JP2020059939 A JP 2020059939A JP 7450433 B2 JP7450433 B2 JP 7450433B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
circulation pump
motor
cell system
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020059939A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2021158072A (ja
Inventor
信基 小岩
昌興 稲本
英雄 沼田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2020059939A priority Critical patent/JP7450433B2/ja
Priority to US17/213,835 priority patent/US11799104B2/en
Priority to CN202110339006.1A priority patent/CN113471474A/zh
Publication of JP2021158072A publication Critical patent/JP2021158072A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7450433B2 publication Critical patent/JP7450433B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04343—Temperature; Ambient temperature of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04686—Failure or abnormal function of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/04917—Current of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

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燃料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燃料オフガスを、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。
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すると、インペラが回転不能状態となり、反応ガスの循環が停止してしまう。
しかしながら、従来の燃料電池システムは、循環ポンプの解凍を行う構成については配慮されていない。また、循環ポンプの解凍を行うために、循環ポンプにヒータを設けることも考えられるが、この場合は循環ポンプの大型化やコストが増加する不都合が生じる。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、凍結した循環ポンプを効率的に解凍することにより、低温環境下でも反応ガスを安定的に循環させ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、低温環境下において、前記制御部により前記循環ポンプの凍結又は非凍結を判定する凍結判定工程を実施し、前記凍結判定工程において前記循環ポンプの凍結を判定した場合に、前記モータに通電しつつ前記モータの回転を制限した状態とするブレーキモードを実施して前記循環ポンプを加熱する第１工程と、前記モータを回転させた後、当該モータの回転数と所定値とを比較し、前記モータの回転数が所定値を超えている場合に前記循環ポンプの解凍を判定する第２工程と、を有する。
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、低温環境下において、前記循環ポンプの凍結又は非凍結を判定し、前記循環ポンプの凍結を判定した場合に、前記モータに通電しつつ前記モータの回転を制限した状態とするブレーキモードを実施して前記循環ポンプを加熱し、前記モータを回転させた後、当該モータの回転数と所定値とを比較し、前記モータの回転数が所定値を超えている場合に前記循環ポンプの解凍を判定する。
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、ブレーキモードを実施することで、凍結した循環ポンプを効率的に解凍することができる。循環ポンプが解凍することで、低温環境下でも、必要に応じたタイミングで循環ポンプを動作させて反応ガスを安定的に循環させることができる。例えば、燃料電池システムは、循環ポンプによる反応ガスの循環により、起動開始時の処理時間が短縮する、起動停止時における燃料電池スタックの耐久性を高める処理（停止時発電等）を良好に行う等の効果が得られる。従って、燃料電池システムは商品性を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を概略的に示す説明図である。 循環ポンプの制御を行うＥＣＵ内の構成を示すブロック図である。 凍結判定及び解凍制御を行うＥＣＵ内の構成を示すブロック図である。 図４Ａは、ブレーキ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。図４Ｂは、ブレーキモードにおけるポンプ用モータの回転数を例示するグラフである。 燃料電池システムの運転方法（凍結判定及び解凍制御）を示すフローチャートである。 ポンプ用モータの通電の有無における温度及び回転数の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。
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。
〔第１実施形態〕
本発明の第１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）のモータルーム等に搭載される。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セパレータ２４ａ、第２セパレータ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燃料ガス及び水を含む燃料オフガス（反応オフガス）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（反応ガス供給路）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（反応ガス循環路）が設けられている。この燃料ガス循環路４４には、燃料オフガスを循環回路から排出するパージ路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）及び途中に設けられた減圧弁（不図示）の開閉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に流入する燃料ガス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、例えば、燃料ガス排出路４２の燃料電池スタック１２の出口側近傍位置に設置され、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。なお、温度センサ６２は、循環ポンプ６４内の燃料オフガスの温度を直接検出するもの、又は循環ポンプ６４から流出する燃料オフガスの温度を検出するものでもよい。
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、三相交流電力をステータに供給することにより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）を検出可能に構成される。
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、又は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。そして、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と一体的に設けられていてもよい。燃料電池スタック１２の通常運転において、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。
具体的には、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。インバータ７２は、この操作指令の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、車両１１が氷点下（０℃以下）等の低温環境にある場合には、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。
そのため、ＥＣＵ８０の内部には、凍結判定部１００及び解凍制御部１０２が設けられる。凍結判定部１００は、循環ポンプ６４を動作させる前のタイミングで循環ポンプ６４の凍結又は非凍結を判定する。循環ポンプ６４を動作させるタイミングとしては、供給する燃料ガスのストイキが不足するような場合、例えば、燃料電池システム１０の起動開始（イグニッションオン）時、通常運転において補機等への電流増加要求があり高電流発電を行う時、又は燃料電池システム１０の運転停止（イグニッションオフ）時等があげられる。
凍結判定部１００は、循環ポンプ６４の凍結又は非凍結の判定において、例えば、以下にあげる条件（ａ）～（ｇ）のうちいずれかの条件が成立した場合に循環ポンプ６４が凍結している可能性があると判定する。
（ａ）循環ポンプ６４の推定回転数が徐々に上昇しない。
（ｂ）循環ポンプ６４を作動させた燃料電池システム１０が起動しなかった（起動を失敗した）。
（ｃ）燃料電池システム１０の周辺環境が低温である、又は次の起動が低温起動となることが予測される。
（ｄ）燃料電池システム１０において反応ガスの状態を検出するセンサ（温度センサ６２、圧力センサ等）が故障している。
（ｅ）燃料電池スタック１２の出力が発電要求量まで上がらない。
（ｆ）循環ポンプ６４のリレーが故障している。
（ｇ）車内通信に異常が生じている。
上記の条件（ａ）～（ｇ）からも理解可能なように、凍結判定部１００は、循環ポンプ６４が僅かでも凍結している可能性がある場合に、実際には循環ポンプ６４が凍結していなくても循環ポンプ６４の凍結を判定する。ＥＣＵ８０は、凍結判定後に解凍制御を実施することで、循環ポンプ６４の凍結又は非凍結をより確実且つ短時間に判定できるからである。
また、循環ポンプ６４は、起動開始時に凍結状態だったものが解凍されたとしても、例えば、周辺環境が低温である場合や循環ポンプ６４の停止状態が継続している場合等に、通常運転時や起動停止時に再び凍結する可能性がある。そのため、凍結判定部１００は、所定時間毎、又は循環ポンプ６４を実際に用いるタイミングで循環ポンプ６４の凍結を再度判定する構成としている。
一方、ＥＣＵ８０内の解凍制御部１０２は、循環ポンプ６４が凍結している場合に循環ポンプ６４を解凍する解凍制御を実施する。ここで、本実施形態に係る循環ポンプ６４は、ポンプ筐体等にヒータを直接備えた構成ではない。よって解凍制御は、同期型のポンプ用モータ６６においてロータの位置を検出するために回転を制動させるブレーキモードの機能を利用する。すなわち、ブレーキモードでは、ポンプ用モータ６６に三相交流電力を供給しつつポンプ用モータ６６の回転を停止することで、ポンプ用モータ６６に供給された電力により循環ポンプ６４全体の加熱が促される。
このため、図３に示すように、解凍制御部１０２の内部には、モード実行部１０２ａ、回転数解凍判定部１０２ｂ、燃料ガス温度解凍判定部１０２ｃ、解凍未判定処理部１０２ｄが構築される。ブレーキモードは、複数種類のモードを順次実施するように構成され、モード毎に異なる波形からなる三相交流電力をポンプ用モータ６６に供給する。具体的には図４Ａに示すように、ブレーキモードの複数種類のモードには、制動モード、位置確定通電モード、加速通電モード、惰性運転モードが含まれる。解凍制御部１０２のモード実行部１０２ａは、これらのモードを順次実行するように処理を行う。
すなわち、モード実行部１０２ａは、時点ｔ０において解凍制御を行う図示しない制御フラグを立ち上げると、まず時点ｔ０～ｔ１までの期間において制動モードを実施する。制動モードは、ポンプ用モータ６６に三相交流電力を供給しつつ、その電流値を充分に小さい値とする。これによりポンプ用モータ６６は、供給されている三相交流電流の周期に実質的に同期できなくなり、その回転速度が減速していく。この制動モードは、ポンプ用モータ６６の回転数が所定値（例えば、０ｒｐｍ）以下になるまで実施される。
上記の制動モードによりポンプ用モータ６６の回転数が所定値以下まで低下すると、モード実行部１０２ａは、次の時点ｔ１～ｔ２までの期間において位置確定通電モードを実施する。この位置確定通電モードでは、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長い波形の電流をインバータ７２から出力させる。すなわち、ポンプ用モータ６６に供給される三相交流電流全体としては、ゼロの電流となる。これによりポンプ用モータ６６は、電流が供給される二相のステータによりロータの位置を固定し、この際の電流センサ７４の検出信号に基づき、ＥＣＵ８０がロータ位置を捉える。
例えば、位置確定通電モードにおける電流のパルス幅は、数秒（例えば２秒）程度に設定される。また、モード実行部１０２ａは、位置確定通電モードにおいて供給する三相交流電力の電流値を、制動モードにおいて供給する三相交流電力の電流値よりも高く設定する。この電流値（交流電流のピーク値）は、特に限定されるものではないが、例えば１０Ａ以上に設定されることが好ましい。
さらに、時点ｔ２～ｔ３の期間において、モード実行部１０２ａは、加速通電モードを実施する。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。加速通電モードにおいて供給する三相交流電力の電流値は、位置確定通電モードにおいて供給する三相交流電力の電流値よりもさらに高く設定される。この加速通電モードの電流値（交流電流のピーク値）も、特に限定されるものではないが、例えば２０Ａ以上に設定されることが好ましい。
モード実行部１０２ａは、加速通電モードの実施期間を予め規定している。循環ポンプ６４が非凍結であれば、この加速通電モードの実施期間中にポンプ用モータ６６の回転数が、最低読取回転数（電流センサ７４の検出信号により回転数が読み取り可能となる値）以上となる。従って、加速通電モードの実施期間後（時点ｔ３後）に、ポンプ用モータ６６の回転数を検出すれば、循環ポンプ６４の凍結又は非凍結を判定することができると言える。
そのため、時点ｔ３後の惰性運転モードにおいて、モード実行部１０２ａ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、回転数解凍判定部１０２ｂがポンプ用モータ６６の推定回転数を確認することで、循環ポンプ６４の凍結又は非凍結を判定する。
一例として、回転数解凍判定部１０２ｂは、惰性運転モードを行なう時点ｔ３後に、時間を計測して惰性運転モードを所定時間（例えば３０ｍｓ）実施した後、ポンプ用モータ６６の推定回転数に基づき循環ポンプ６４の凍結又は非凍結を判定する。すなわち、循環ポンプ６４が正常（非凍結）の場合には、所定時間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。
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。そのため推定回転数算出部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。
以下、図４Ｂを参照して、循環ポンプ６４が凍結していない場合において上記のブレーキモードを実施した場合のポンプ用モータ６６の回転数（推定回転数）の変化について説明する。ポンプ用モータ６６は、ブレーキモードの実施前は、インバータ７２から電力供給がないことで回転が停止しているか、又はインジェクタ５０の吐出による燃料ガスの流通に伴って低い回転数で連れ回りしている。或いは、既にブレーキモードを実施した場合（ブレーキモードを複数回繰り返した場合）にも、ポンプ用モータ６６は低い回転数で回転している。
このため、ブレーキモードの実施時にまず制動モードを実施すると、ポンプ用モータ６６の回転数が低下していく（又は停止している場合は回転数がゼロのまま推移する）。さらに、位置確定通電モードでは、ロータが固定されるので、ポンプ用モータ６６の回転数はゼロとなる。そして、加速通電モードを実施すると、ポンプ用モータ６６の回転数が徐々に上昇していく。
またさらに、ポンプ用モータ６６の回転数が最低読取回転数をある程度超えた時点ｔ３において、ＥＣＵ８０は惰性運転モードに移行する。上記したように、惰性運転モードでは、インバータ７２からの電力供給が遮断されているため、ポンプ用モータ６６の回転数が徐々に低下する。そして、惰性運転モードの終了後に、ＥＣＵ８０は、そのまま循環ポンプ６４を回転させる通常の制御に移行することで、目標回転数に沿うようにポンプ用モータ６６の回転数を上げていくことができる。
一方、循環ポンプ６４が凍結している場合には、図４Ｂ中の２点鎖線に示すように、ポンプ用モータ６６は回転不能状態となっている（すなわち回転数がゼロとなっている）。このため、ブレーキモードの実施中（制動モード、位置確定通電モード、加速通電モード、惰性運転モード）もゼロのまま推移する。ただし、循環ポンプ６４の凍結状態ではインバータ７２からの電力供給によりロータ及びインペラ６８が振動することがあり、この振動に伴いＥＣＵ８０は高い回転数を算出する可能性がある。特に、加速通電モードではこの振動が生じ易い。しかしながら、惰性運転モードでは、インバータ７２からの電力供給が遮断されているので振動が短時間に収束する。従って、回転数解凍判定部１０２ｂは、検出される電流（推定回転数）に基づき凍結又は非凍結を確実に判定することができる。
また、位置確定通電モードや加速通電モードでは、上記したようにインバータ７２から高い電流値を有する三相交流電力がポンプ用モータ６６に供給される。このため、三相交流電力はポンプ用モータ６６を加熱し、さらに凍結している循環ポンプ６４全体を昇温させる。よってＥＣＵ８０は、循環ポンプ６４の凍結状態で、ブレーキモードを繰り返して実施することで、循環ポンプ６４の解凍を促進することがきる。
図３に戻り、解凍制御部１０２の燃料ガス温度解凍判定部１０２ｃは、循環ポンプ６４が確実に解凍されているか否かを判定する機能部である。例えば、燃料ガス温度解凍判定部１０２ｃは、図示しない燃料ガスの温度閾値（所定値）及び所定の監視期間閾値（所定時間）を有し、温度センサ６２が検出した燃料ガスの温度が監視期間閾値にわたって温度閾値を上回っているか否かを判定する。これにより、循環ポンプ６４が確実に解凍した状態を認識することが可能となる。例えば、上記のブレーキモードにおいて解凍を判定しても循環ポンプ６４の推定回転数が上昇しない場合には、この燃料ガスの温度に基づく解凍状態の判定を行なうことで、循環ポンプ６４の故障を精度よく判定することが可能となる。
また、解凍制御部１０２の解凍未判定処理部１０２ｄは、循環ポンプ６４の解凍が完了したか否かを監視し、解凍が完了していない場合にはその結果（解凍未完状態）を記憶する。解凍制御部１０２は、解凍未完状態を確認して適宜のタイミングでブレーキモードを再び行うことで解凍未完状態の解消を図ることができる。これにより燃料電池システム１０は、起動停止時において循環ポンプ６４を良好に使用できるようになる。
また、ＥＣＵ８０の内部には、燃料電池システム１０の起動停止時に燃料電池スタック１２の発電を行う停止時発電制御部１０４が設けられており、停止時発電制御部１０４は、この解凍未完状態のフラグを監視しつつ停止時発電を行う。
停止時発電は、燃料電池システム１０を停止する際に、燃料電池スタック１２内を乾燥させて発電セル２０に含まれる水の凍結を抑制する制御である。燃料電池スタック１２はこの停止時発電によって、発電に伴う発熱により循環ポンプ６４を昇温させることができる。このように起動停止時における停止時発電によって、解凍未完状態を解消（循環ポンプ６４を解凍）することが可能となり、また停止時発電によって燃料ガス循環路４４内の水蒸気を可及的に少なくして、次回の起動開始時に循環ポンプ６４の凍結を抑制することが可能となる。
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。また上記したように、燃料電池システム１０は、起動開始時、通常運転時、起動停止時に循環ポンプ６４の凍結の可能性を判定し、循環ポンプ６４の凍結の可能性がある場合に解凍制御を実施する。以下では、起動開始時における凍結判定及び解凍制御について、代表的に説明する。
図５に示すように、ＥＣＵ８０の凍結判定部１００は、例えば、循環ポンプ６４の凍結の可能性について上記の条件（ａ）～（ｇ）のうちいずれかが成立したか否かを判定する（ステップＳ１：凍結判定工程）。そして、条件（ａ）～（ｇ）の全てが不成立の場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、循環ポンプ６４が凍結していないことになり、本処理フローを終了し、通常の制御（通常運転）を実施する。一方、条件（ａ）～（ｇ）のいずれかが成立した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２において、解凍制御部１０２のモード実行部１０２ａは、ブレーキモードを実施する（第１工程）。図４Ａに示すように、ブレーキモードは、制動モード、位置確定通電モード、加速通電モード、惰性運転モードを短時間（例えば、数秒）の間に順次実施していく。特に、位置確定通電モード及び加速通電モードの実施時には、インバータ７２からポンプ用モータ６６に大きな電流を供給することにより循環ポンプ６４の昇温を促進させることができる。
そして惰性運転モードにおいて、ＥＣＵ８０の回転数解凍判定部１０２ｂは、ポンプ用モータ６６の推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ（所定値：例えば、最低読取回転数：３００ｒｐｍ）を超えているか否かを判定する（ステップＳ３：第２工程）。推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒを超えている場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、循環ポンプ６４が凍結していない状態又は解凍が完了した状態を認識する（ステップＳ４）。一方、推定回転数が回転数閾値Ｔｈｒ以下の場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、循環ポンプ６４が凍結している又は解凍が完了していない状態を認識する（ステップＳ５）。
このため、解凍制御部１０２は、循環ポンプ６４の凍結（非解凍）を認識した場合（ステップＳ５の後）、ステップＳ２に戻り、ブレーキモードを再び最初から繰り返す。すなわち燃料電池システム１０は、ブレーキモードを繰り返すことで、位置確定通電モード及び加速通電モードの実施時にさらに循環ポンプ６４を昇温させることができる。
一方、ＥＣＵ８０は、循環ポンプ６４の解凍を認識した場合（ステップＳ４の後）、本処理フローを終了し、通常の制御に移行する。これにより、燃料電池システム１０は、起動開始時に、必要に応じて循環ポンプ６４を回転させることで、燃料ガス循環路４４の燃料ガスを燃料ガス供給路４０に循環させる。燃料電池スタック１２の燃料ガス流路３２は、多くの燃料ガスが供給されることで、発電性能が高まり、また水素供給不足による劣化を抑制することができる。
さらに、ＥＣＵ８０の燃料ガス温度解凍判定部１０２ｃは、循環ポンプ６４の解凍又は非凍結の判定において、温度センサ６２が検出する温度情報と、温度情報に応じた温度閾値及び監視期間閾値とを用いて循環ポンプ６４が確実に解凍された状態を判定する。例えば、循環ポンプ６４の解凍のためにブレーキモードを繰り返して実施している際（上記の処理フロー中）に、燃料ガス温度解凍判定部１０２ｃは温度センサ６２の温度情報に基づき、循環ポンプ６４に流通する燃料ガスの温度が所定の監視期間閾値にわたって温度閾値以上となっているか否かを判定する。これにより燃料ガス温度解凍判定部１０２ｃは、循環ポンプ６４が確実に解凍している状態を認識し、この場合でも循環ポンプ６４の回転数が上がらない場合には循環ポンプ６４の故障を判定する。すなわち、ＥＣＵ８０は、循環ポンプ６４の故障と凍結とを良好に切り分けて判定することが可能となり、循環ポンプ６４が故障したまま運用されることを抑制することができる。
次に図６を参照して、循環ポンプ６４が凍結している際に、上記の処理フローに基づきブレーキモードを実施した場合と、ポンプ用モータ６６に通電を行わない場合の燃料ガスの温度変化、及び循環ポンプ６４の回転開始時間の違いについて説明する。図６中のグラフにおいて横軸は時間であり、縦軸は、燃料ガスの温度及び循環ポンプ６４の回転数を示している。
ポンプ用モータ６６に通電を行わない場合には、図６中の点線で示すように循環ポンプ６４を流通する燃料ガスの温度が緩やかに上昇している。このため燃料ガスの温度が循環ポンプ６４を解凍する温度に達する時間ｔｂが遅くなる。時間ｔｂに達すると、循環ポンプ６４は、解凍がなされることで回転数が上昇する。
一方、ポンプ用モータ６６に通電を行う場合には、図６中の実線で示すように、ポンプ用モータ６６に通電を行わない場合に比べて循環ポンプ６４を流通する燃料ガスの温度が早く上昇している。このため、燃料ガスの温度が循環ポンプ６４を解凍する温度に達する時間ｔａが、時間ｔｂに比べて大幅に短くなる。そして時間ｔａに達すると、循環ポンプ６４は、解凍がなされることで回転数が上昇する。すなわち、センサレスのポンプ用モータ６６を有する循環ポンプ６４を解凍させる場合には、ポンプ用モータ６６においてブレーキモードを実施することが有効であると言える。
また上記したように、循環ポンプ６４は、解凍の判定後にも再び凍結する可能性がある。凍結判定部１００は、所定時間（例えば、数分）毎に、凍結又は非凍結を判定する凍結判定工程を実施してもよい。この際の凍結判定工程において、凍結判定部１００は、循環ポンプ６４の目標回転数と電流センサ７４の検出に基づくポンプ用モータ６６の推定回転数との差を比較する。目標回転数と推定回転数のずれが大きい場合には、循環ポンプ６４が凍結しかけている可能性がある。つまり凍結判定部１００は、循環ポンプ６４の再凍結を早期に発見して、解凍制御（ブレーキモードの実施による解凍）を行うことができる。
或いは、凍結判定部１００は、通常運転時や起動停止時において循環ポンプ６４を実際に回転させる（実施に用いる）タイミングでも、循環ポンプ６４の回転数に基づき循環ポンプ６４の凍結又は非凍結を判定する構成でもよい。これにより、燃料電池システム１０は、循環ポンプ６４が凍結していた場合に、循環ポンプ６４の故障を判定せずに、解凍制御を再び行うことができる。
さらに、車両１１の駆動停止時には、燃料電池システム１０は、ポンプ用モータ６６のブレーキモードによる解凍と共に、燃料電池スタック１２の停止時発電を行なう。これにより循環ポンプ６４の解凍がさらに促進され、燃料電池システム１０の起動停止の処理時に循環ポンプ６４を良好に使用できるようになる。また、停止時発電による発電セル２０の含水量の低下により燃料ガス排出路４２や燃料ガス循環路４４内に存在する水蒸気を大幅に低減させることができる。従って、循環ポンプ６４の凍結を抑制することが可能となり、次回の起動時に循環ポンプ６４を良好に使用することができる。
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。
〔第２実施形態〕
図７に示す第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、酸化剤ガス系装置１６Ａ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１１０（ＥＧＲポンプ）を設置している。この燃料電池システム１０Ａでも、上記と同様に、循環ポンプ１１０に対して凍結判定及び解凍制御を実施することができる。
例えば酸化剤ガス系装置１６Ａにおいて、循環ポンプ１１０は、燃料電池スタック１２に供給する酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給路１１２と、燃料電池スタック１２から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤ガス排出路１１４とを接続する酸化剤ガス循環路１１６に設けられる。また酸化剤ガス循環路１１６は、コンプレッサ１１８と加湿器１２０の間に接続される。循環ポンプ１１０は、酸化剤ガス系装置１６ＡのＥＣＵ１２２の制御下に、例えば起動停止時に動作して、加湿器１２０を流通した酸化剤オフガスを酸化剤ガス供給路１１２に循環させる。
酸化剤オフガスには、やはり水蒸気が含まれるので、循環ポンプ１１０が凍結する可能性がある。従って、ＥＣＵ１２２は、凍結判定及び解凍制御を実施することで、循環ポンプ１１０を解凍して起動停止時等の適切なタイミングで循環ポンプ１１０を駆動させることができる。
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に反応ガスを供給する反応ガス供給路（燃料ガス供給路４０、酸化剤ガス供給路１１２）と、燃料電池スタック１２から排出される反応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、酸化剤ガス循環路１１６）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、１１０と、モータの回転を制御する制御部（ＥＣＵ８０、１２２）と、を備える燃料電池システム１０、１０Ａの運転方法であって、低温環境下において、制御部により循環ポンプ６４、１１０の凍結又は非凍結を判定する凍結判定工程を実施し、凍結判定工程において循環ポンプ６４、１１０の凍結を判定した場合に、モータに通電しつつモータの回転を制限した状態とするブレーキモードを実施して循環ポンプ６４、１１０を加熱する第１工程と、モータを回転させた後、当該モータの回転数と所定値（回転数閾値Ｔｈｒ）とを比較し、モータの回転数が所定値を超えている場合に循環ポンプ６４、１１０の解凍を判定する第２工程と、を有する。
上記の燃料電池システム１０、１０Ａの運転方法は、ブレーキモードを実施することで、凍結した循環ポンプ６４、１１０を効率的に解凍することができる。循環ポンプ６４、１１０が解凍することで、低温環境下でも、必要に応じたタイミングで循環ポンプ６４、１１０を動作させて反応ガスを安定的に循環させることができる。例えば、燃料電池システム１０、１０Ａは、循環ポンプ６４、１１０による反応ガスの循環により、起動開始の時間が短縮する、起動停止時の燃料電池スタック１２の耐久性を高める処理（停止時発電等）を良好に行う等の効果が得られる。従って、燃料電池システム１０、１０Ａの商品性が向上する。
また、第２工程では、モータ（ポンプ用モータ６６）の回転数が所定値以下の場合に循環ポンプ６４、１１０の凍結を判定して、第１工程を再び実施する。これにより、燃料電池システム１０は、ブレーキモードによる循環ポンプ６４、１１０の昇温を持続的に行うことができ、循環ポンプ６４、１１０を良好に解凍することができる。
また、第２工程では、モータ（ポンプ用モータ６６）に対する電力供給を遮断してモータを惰性で回転させる期間に、モータの回転数と所定値との比較を行う。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、モータの回転数を精度よく認識することができ、凍結又は非凍結を正確に判定することができる。
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、第１工程では、モータの回転を停止した状態から三相交流電力の電流値を段階的に増加させてモータを徐々に回転させる。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、第１工程及び第２工程を連続的に行うことで、循環ポンプ６４、１１０の昇温と、モータの回転数による凍結又は非凍結の判定とをスムーズに切り替えて実施することができる。
また、制御部（ＥＣＵ８０、１２２）は、循環ポンプ６４、１１０の目標回転数とセンサ（電流センサ７４）の検出に基づくモータ（ポンプ用モータ６６）の推定回転数とを比較して循環ポンプ６４、１１０の凍結又は非凍結を判定する凍結判定工程を所定時間毎に行う。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａの動作中に、一旦解凍した循環ポンプ６４、１１０が再凍結しても再び解凍制御（第１工程及び第２工程）を実施して解凍を行うことができる。
また、第１工程及び第２工程の実施中で循環ポンプ６４、１１０の解凍が判定されていない状態で、燃料電池システム１０、１０Ａの起動停止がなされた場合に燃料電池スタック１２の停止時発電を行い、当該停止時発電の発熱を循環ポンプ６４、１１０の解凍に利用する。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、停止時発電にて循環ポンプ６４、１１０の解凍を一層促進することができる。
また、燃料電池スタック１２から排出される反応ガスの温度を検出する温度センサ６２を有し、反応ガスの温度が所定値以上且つ所定時間が経過した後に、循環ポンプ６４、１１０が回転しない場合に循環ポンプ６４、１１０の故障を判定する。これにより、燃料電池システム１０、１０Ａは、循環ポンプ６４、１１０の凍結と故障とを切り分けて判定することができ、循環ポンプ６４、１１０の故障を凍結と判定したまま動作させることを抑制することができる。
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に反応ガスを供給する反応ガス供給路（燃料ガス供給路４０、酸化剤ガス供給路１１２）と、燃料電池スタック１２から排出される反応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、酸化剤ガス循環路１１６）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、１１０と、モータの回転を制御する制御部（ＥＣＵ８０、１２２）と、を備える燃料電池システム１０、１０Ａであって、制御部は、低温環境下において、循環ポンプ６４、１１０の凍結又は非凍結を判定し、循環ポンプ６４、１１０の凍結を判定した場合に、モータに通電しつつモータの回転を制限した状態とするブレーキモードを実施して循環ポンプ６４、１１０を加熱し、モータを回転させた後、当該モータの回転数と所定値とを比較し、モータの回転数が所定値を超えている場合に循環ポンプ６４、１１０の解凍を判定する。これにより燃料電池システム１０、１０Ａは、凍結した循環ポンプ６４、１１０を効率的に解凍することにより、低温環境下でも反応ガスを安定的に循環させることができる。
１０、１０Ａ…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
６２…温度センサ ６４、１１０…循環ポンプ
６６…ポンプ用モータ ７２…インバータ
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ…電流センサ ８０、１２２…ＥＣＵ
８８…発電ＥＣＵ １１２…酸化剤ガス供給路
１１６…酸化剤ガス循環路 Ｔｈｒ…回転数閾値

Claims (9)

  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ず且つインバータからの三相交流電力の供給に基づき回転する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、
    低温環境下において、前記制御部により前記循環ポンプの凍結又は非凍結を判定する凍結判定工程を実施し、
    前記凍結判定工程において前記循環ポンプの凍結を判定した場合に、前記モータに三相交流電流を通電しつつ前記モータの回転を制限した状態とするブレーキモードを実施して前記循環ポンプを加熱する第１工程と、
    前記モータを回転させた後、当該モータの回転数と所定値とを比較し、前記モータの回転数が前記所定値を超えている場合に前記循環ポンプの解凍を判定する第２工程と、を有し、
    前記ブレーキモードは、一相がオフで且つ他の二相が互いに逆位相である前記三相交流電流を前記インバータから出力させることにより、前記モータの回転を停止する、位置確定通電モードを含む
    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、
    前記第２工程では、前記モータの回転数が前記所定値以下の場合に前記循環ポンプの凍結を判定して、前記第１工程を再び実施する
    燃料電池システムの運転方法。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記第２工程では、前記モータに対する電力供給を遮断して前記モータを惰性で回転させる期間に、前記モータの回転数と前記所定値との比較を行う
    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、
    前記第１工程における前記ブレーキモードは、前記位置確定通電モードでの前記モータの回転を停止した状態から、前記三相交流電流の周期を徐々に狭めるように前記三相交流電流の位相をシフトさせながら、前記三相交流電力の電流値を段階的に増加させて前記モータを徐々に回転させる加速通電モードをさらに含む
    燃料電池システムの運転方法。
  5. 請求項１～４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、前記循環ポンプの目標回転数とセンサの検出に基づく前記モータの推定回転数とを比較して前記循環ポンプの凍結又は非凍結を判定する前記凍結判定工程を所定時間毎に行う
    燃料電池システムの運転方法。
  6. 請求項１～５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、
    前記第１工程及び前記第２工程の実施中で前記循環ポンプの解凍が判定されていない状態で、前記燃料電池システムを停止する際に行われる前記燃料電池スタックの停止時発電を行い、当該停止時発電の発熱を前記循環ポンプの解凍に利用する
    燃料電池システムの運転方法。
  7. 請求項１～６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、
    前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックから排出される前記反応オフガスの温度を検出する温度センサを有し、
    前記反応オフガスの温度が所定値以上且つ所定時間が経過した後に、前記循環ポンプが回転しない場合に前記循環ポンプの故障を判定する
    燃料電池システムの運転方法。
  8. 請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記燃料電池システムは、前記反応ガス循環路と前記反応ガス供給路とを連通させるエジェクタと、前記燃料電池スタックから排出され、且つ前記循環ポンプから排出された前記反応オフガスの温度を検出する温度センサと、を有し、
    前記反応オフガスの温度が所定値以上且つ所定時間が経過した後に、前記循環ポンプが回転しない場合に前記循環ポンプの故障を判定する
    燃料電池システムの運転方法。
  9. 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ず且つインバータからの三相交流電力の供給に基づき回転する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、
    低温環境下において、前記循環ポンプの凍結又は非凍結を判定し、前記循環ポンプの凍結を判定した場合に、前記モータに三相交流電流を通電しつつ前記モータの回転を制限した状態とするブレーキモードを実施して前記循環ポンプを加熱し、
    前記モータを回転させた後、当該モータの回転数と所定値とを比較し、前記モータの回転数が前記所定値を超えている場合に前記循環ポンプの解凍を判定し、
    前記ブレーキモードは、一相がオフで且つ他の二相が互いに逆位相である前記三相交流電流を前記インバータから出力させることにより、前記モータの回転を停止する、位置確定通電モードを含む
    燃料電池システム。
JP2020059939A 2020-03-30 2020-03-30 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム Active JP7450433B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020059939A JP7450433B2 (ja) 2020-03-30 2020-03-30 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム
US17/213,835 US11799104B2 (en) 2020-03-30 2021-03-26 Method of operating fuel cell system
CN202110339006.1A CN113471474A (zh) 2020-03-30 2021-03-30 燃料电池系统的运转方法以及燃料电池系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020059939A JP7450433B2 (ja) 2020-03-30 2020-03-30 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021158072A JP2021158072A (ja) 2021-10-07
JP7450433B2 true JP7450433B2 (ja) 2024-03-15

Family

ID=77854912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020059939A Active JP7450433B2 (ja) 2020-03-30 2020-03-30 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11799104B2 (ja)
JP (1) JP7450433B2 (ja)
CN (1) CN113471474A (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022134844A (ja) * 2021-03-04 2022-09-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102022205132A1 (de) * 2022-05-23 2023-11-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Starten einer Verdichteranordnung eines Brennstoffzellensystems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007214080A (ja) 2006-02-13 2007-08-23 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2015048811A (ja) 2013-09-03 2015-03-16 株式会社Ihi 遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法
JP2015048812A (ja) 2013-09-03 2015-03-16 株式会社Ihi 遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4248225B2 (ja) 2002-11-01 2009-04-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4179855B2 (ja) 2002-11-22 2008-11-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5226936B2 (ja) 2006-03-22 2013-07-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、および、燃料電池システムの運転方法
US9496569B2 (en) * 2008-06-25 2016-11-15 Ford Motor Company Automotive rotatable power transfer system and method of operating same
CN103946056B (zh) * 2011-11-21 2016-07-06 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN106663828B (zh) * 2014-07-24 2019-11-05 日产自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
JP6168032B2 (ja) * 2014-11-14 2017-07-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6153094B2 (ja) * 2014-11-14 2017-06-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムとその始動方法
JP6788841B2 (ja) 2017-03-14 2020-11-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6760154B2 (ja) 2017-03-15 2020-09-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN110217076A (zh) * 2019-07-09 2019-09-10 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 一种燃料电池循环水热管理控制系统
CN110690483B (zh) * 2019-09-20 2021-03-30 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池冷启动装置及控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007214080A (ja) 2006-02-13 2007-08-23 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2015048811A (ja) 2013-09-03 2015-03-16 株式会社Ihi 遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法
JP2015048812A (ja) 2013-09-03 2015-03-16 株式会社Ihi 遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11799104B2 (en) 2023-10-24
JP2021158072A (ja) 2021-10-07
CN113471474A (zh) 2021-10-01
US20210305600A1 (en) 2021-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10090539B2 (en) Fuel cell system
JP7450433B2 (ja) 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム
JP5382627B2 (ja) 燃料電池システム
KR101124990B1 (ko) 연료전지 셧다운 방법
US9941532B2 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP4248225B2 (ja) 燃料電池システム
JP4940640B2 (ja) 燃料電池システム
KR101852676B1 (ko) 차량
US20060141309A1 (en) Fuel cell system and method of starting fuel cell system
US11097636B2 (en) Fuel cell vehicle
US11463035B2 (en) Control method for sensorless motor
JP2010055810A (ja) 燃料電池システム
JP2013229140A (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法
CN113725462B (zh) 燃料电池系统
CN110783605A (zh) 燃料电池系统
JP5034160B2 (ja) 燃料電池システム
JP2020064785A (ja) 燃料電池システム及びその制御方法並びにプログラム
JP2007053854A (ja) 燃料電池車両
JP7421980B2 (ja) 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム
JP2007012532A (ja) 燃料電池システムの制御装置
JP6972920B2 (ja) 燃料電池システム
JP5154846B2 (ja) 燃料電池システムとその性能回復方法
JP5249506B2 (ja) 燃料電池システムおよびその起動方法
JP2002246052A (ja) 燃料電池装置及びその起動方法
JP2021077559A (ja) 燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221128

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230731

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230808

RD13 Notification of appointment of power of sub attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7433

Effective date: 20230919

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231003

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20230919

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240305

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7450433

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150