JP7492984B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。
例えば、特許文献１には、高圧容器から供給される高圧の燃料ガスを、調圧弁を介して燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、前記調圧弁の下流側に複数の圧力センサを配置し、前記調圧弁の上流側に１個の圧力センサを配置して前記高圧容器の内圧を監視する高圧容器システムに係る技術が開示されている。
この技術では、前記調圧弁の下流側に配置された複数の下流側の圧力センサの検知圧力値の差分が所定値より大きい場合には、いずれか一方の下流側の圧力センサが異常であると判定する。そして、いずれか一方の下流側の圧力センサが異常であると判定した場合、複数の下流側の圧力センサの圧力値が下流側閾値以下となるか、前記上流側の圧力センサが上流側閾値以下となったとき、高圧容器からの燃料ガスの供給を遮断するようにしている。
特開２０２０－１１８１７４号公報
ところで、燃料電池に関する技術においては、燃料電池システムの発電運転を停止させないで継続したいという課題がある。
この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
この発明の一態様に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、高圧の前記燃料ガスが収容される高圧容器と、該高圧容器から吐出される前記燃料ガスを調圧し、調圧した前記燃料ガスを、燃料ガス供給配管を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器と、前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器と、前記調圧器を制御する制御装置と、蓄電器と、を備え、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、推定した圧力推定値に近い値の圧力値を検出している前記圧力検出器が正常な前記圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した前記圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続するに際し、前記制御装置は、前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定する場合に、前記圧力検出器が正常であると判別されるまでの規定時間未満の間に前記燃料電池スタックに要求される発電出力の変動分を、前記蓄電器の充放電電力により吸収するようにして前記燃料電池スタックの前記発電出力の変動量を制限する。
この発明の他の態様に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、高圧の前記燃料ガスが収容される高圧容器と、該高圧容器から吐出される前記燃料ガスを調圧し、調圧した前記燃料ガスを、燃料ガス供給配管を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器と、前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器と、前記調圧器を制御する制御装置と、蓄電器と、を備え、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、推定した圧力推定値に近い値の圧力値を検出している前記圧力検出器が正常な前記圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した前記圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続するに際し、前記制御装置は、前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定する場合に、前記燃料電池スタックに要求される発電出力の変動量が規定値以上のとき、前記圧力検出器が正常であると判別されるまで、前記燃料電池スタックに要求される前記発電出力の変動分を、前記蓄電器の充放電電力により吸収するようにして前記燃料電池スタックの前記発電出力の変動量を制限する。
この発明のさらに他の態様に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、高圧の前記燃料ガスが収容される高圧容器と、該高圧容器から吐出される前記燃料ガスを調圧し、調圧した前記燃料ガスを、燃料ガス供給配管を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器と、前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器と、前記調圧器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、推定した圧力推定値に近い値の圧力値を検出している前記圧力検出器が正常な前記圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した前記圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続するに際し、複数の前記圧力検出器の圧力データ履歴を現在時刻から一定時間分遡って連続的にログし、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定した前記圧力推定値を算出するに際し、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値から前記燃料ガスの消費状況による圧力値を減算すると共に、前記燃料ガスの供給状況による圧力値を加算した値を前記圧力推定値とする。
この発明によれば、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、言い換えれば、いずれかの圧力検出器が異常状態に遷移した場合、複数の前記圧力検出器により検出された各圧力値と、燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給状況及び燃料電池スタック内での燃料ガスの消費状況に基づいて推定した圧力推定値と、を比較することで、正常な圧力検出器を的確に判別することができる。
複数の圧力検出器のうち、いずれかの圧力検出器が異常状態に遷移した場合、正常な圧力検出器を用いて燃料電池システムの発電運転を継続することができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。
図１は、燃料電池スタックが負荷に電気的に接続された実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、前記燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。 図３は、前記燃料電池システムの動作説明に供されるタイミングチャートである。 図４は、課題説明用のタイミングチャートである。 図５は、変形例の動作説明に供されるフローチャートである。
［実施形態］
［構成］
図１は、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう。）１４が負荷１２に電気的に接続された実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
ここで、燃料電池システム１０は、負荷１２が、例えばモータとされる燃料電池自動車、船舶、航空機、ロボット等の移動体に組み込んでの使用が可能である。なお、燃料電池システム１０は、プラント等、スタンドアローンでの使用も可能である。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、水素タンクである高圧容器１６と、酸化剤ガス供給装置１８と、燃料ガス供給装置２０と、これらを制御する制御装置２２とから構成される。
制御装置２２は、一つではなく二以上の制御装置に分けてもよい。
酸化剤ガス供給装置１８には、コンプレッサ（ＣＰ）２４が含まれる。
燃料ガス供給装置２０には、インジェクタ（ＩＮＪ）である調圧器３２（３２ａ、３２ｂ）、エジェクタ３６及び気液分離器３８が含まれる。調圧器３２は、減圧調整弁に代替してもよく、少なくとも１個の調圧器としてもよい。
燃料電池スタック１４は、固体高分子型の発電セル２６の積層体として構成されている。各発電セル２６は、固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４３とアノード電極４５とを有する電解質膜・電極構造体４６と、該電解質膜・電極構造体４６を挟持する一対のセパレータ４７、４８とを備える。
一方のセパレータ４８の電解質膜・電極構造体４６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）４０が形成される。
なお、セパレータ４８の他面には、熱交換媒体の流路４９が形成される。
他方のセパレータ４７の電解質膜・電極構造体４６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）４２が形成される。
アノード電極４５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４４を透過してカソード電極４３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、負極端子１０６から負荷１２を通じ、正極端子１０８を介してカソード電極４３に移動する。
カソード電極４３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、コンプレッサ２４を通じて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。
正極端子１０８及び負極端子１０６と負荷１２を接続する配線の間には、発電電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサである電圧検出器１１０が設けられる。さらに、正極端子１０８と負荷１２を接続する配線には、発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサである電流検出器１１２が設けられる。
コンプレッサ２４は、外気取入口１１４から外気（大気、空気）を吸引して、加圧した酸化剤ガス（過給エア）を酸化剤ガス入口連通口１０１から燃料電池スタック１４内のカソード流路４０に供給し、該カソード流路４０内を流通させる。
高圧容器１６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。
高圧容器１６から吐出される燃料ガスは、燃料ガス吐出配管５４に並列的に設けられた調圧器３２（３２ａ、３２ｂ）及びエジェクタ３６を通じ、燃料ガス供給配管５６を介し、さらに燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１４のアノード流路４２に供給され、該アノード流路４２内を流通させる。
なお、燃料ガス吐出配管５４には、高圧容器１６から燃料ガス吐出配管５４に吐出されている燃料ガスの圧力を検出する圧力センサである圧力検出器５５が設けられている。
また、燃料ガス供給配管５６には、燃料電池スタック１４に供給される燃料ガスの温度を検出する温度センサである温度検出器５０と、調圧器３２により調圧後（減圧後）の燃料ガスであり、燃料電池スタック１４に供給される燃料ガスの圧力を検出し、並列的に設けられた圧力センサである圧力検出器５１、５２とが設けられる。圧力検出器５１、５２は、同仕様のものが使用されている。同仕様でなくともよい。
圧力検出器５１により検出される圧力を圧力値Ｐ１といい、圧力検出器５２により検出される圧力を圧力値Ｐ２という。なお、燃料ガス供給配管５６の圧力値をアノード圧力Ｐａという。いずれの圧力検出器５１、５２も故障していない場合、アノード圧力Ｐａは、制御装置２２により、次の（１）式による圧力検出器５１により検出される圧力値Ｐ１と、圧力検出器５２により検出される圧力値Ｐ２の平均値として算出（取得）される。どちらか一方で検知（取得）するようにしてもよい。
Ｐａ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／２ …（１）
燃料電池スタック１４は、それぞれ流通している酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電し、発電電力Ｐｆｃを正極端子１０８及び負極端子１０６を通じて負荷１２に供給する。
燃料電池スタック１４内で酸素の一部が消費された酸化剤ガスは、窒素がリッチな酸化剤オフガスとして酸化剤ガス出口連通口１０２を介して外部に排出される。
一方、燃料電池スタック１４内で燃料ガスの一部が消費された水素含有ガスである燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料ガス出口連通口１０４を介して気液分離器３８の入口１２０に連通され、該気液分離器３８にアノード流路４２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３８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は、気液分離器３８の気体排出口１２２から排出され、循環配管１２４中のリードバルブ１２６を通じてエジェクタ３６の吸込口に供給される。
燃料オフガスの液体成分は、気液分離器３８の液体排出口１３６からドレイン弁６０を通じ、前記酸化剤オフガスと混合され希釈器を通じて外部に排出される。
以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置２２によって統括制御される。
制御装置２２は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。ＥＣＵ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２２には、タイマである計時器６４が含まれる。
制御装置２２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。
制御装置２２には、燃料電池システム１０をＯＮ、ＯＦＦする電源スイッチ６２が接続されている。電源スイッチ６２は、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１４の発電運転を開始乃至継続（ＯＮ）させるか終了（ＯＦＦ）させる。
［動作］
この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。以下、図２のフローチャートを参照しながら、その動作について説明する。図２のフローチャートによる処理は、制御装置２２により所定の周期で繰り返し実行される。
また、理解の便宜のために、図３の、燃料電池スタック１４が発電運転を継続している場合の一例のタイミングチャートを併せて参照する。
ここで、タイミングチャートが示す内容を簡単に説明する。
図３の上段のタイミングチャートは、アノード圧力Ｐａ等の波形例を示す。
図３の中段のタイミングチャートは、圧力検出器５１により検出される圧力値Ｐ１と、圧力検出器５２により検出される圧力値Ｐ２の差分を示している。制御装置２２は、差分を圧力値Ｐ１と圧力値Ｐ２の差の絶対値｜Ｐ１－Ｐ２｜として検知している。
図３の下段のタイミングチャートは、制御装置２２により連続的に算出されるアノード圧力Ｐａの圧力推定値Ｐｅｓｔ等を示している。
図２のステップＳ１にて、制御装置２２は、電源スイッチ６２がＯＮ状態であるか否（ＯＦＦ状態である）かを判定する。
電源スイッチ６２がＯＦＦ状態にある（ステップＳ１：ＮＯ）場合、制御装置２２は、処理を終了し、燃料電池システム１０は停止状態とされる。
電源スイッチ６２がＯＮ状態にある（ステップＳ１：ＹＥＳ）場合、ステップＳ２にて、制御装置２２は発電制御（燃料電池システム１０の通常発電運転）を行う。
すなわち、制御装置２２は、負荷１２の燃料電池スタック１４への要求発電電力Ｐｒｅｑを算出する。例えば、負荷１２が、燃料電池自動車のモータである場合、アクセル開度等に基づき要求発電電力Ｐｒｅｑを算出する。そして、制御装置２２は、燃料電池スタック１４の発電電力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｉｆｃ×Ｖｆｃ）が、算出した要求発電電力Ｐｒｅｑになるように、コンプレッサ２４を含む酸化剤ガス供給装置１８及び高圧容器１６と調圧器３２を含む燃料ガス供給装置２０を制御する。
この場合、制御装置２２は、要求発電電力Ｐｒｅｑの多寡に応じて燃料電池スタック１４に供給される酸化剤ガスの流量（圧力）を、コンプレッサ２４の回転数を制御することで調整すると共に、燃料電池スタック１４に供給される燃料ガスの流量（アノード圧力Ｐａ）を調圧器３２のＯＮデューティを制御することで調整し、ステップＳ３の故障検知確定（判定）処理に進む。
ステップＳ３にて、制御装置２２は、圧力検出器５１、５２により燃料ガス供給配管５６内の燃料ガスの圧力をそれぞれ圧力値Ｐ１［Ｐａ］、Ｐ２［Ｐａ］として測定する。各測定値は、圧力データ履歴として制御装置２２の記憶器６５に記録される。
ステップＳ３にて、また、制御装置２２は、次の（２）式に示す不等式による判定を行う。すなわち、圧力検出器５１により測定されている圧力値Ｐ１と圧力検出器５２により測定されている圧力値Ｐ２との差分｜Ｐ１－Ｐ２｜が、予め、記憶器６５に設定記録されている故障検知閾値（異常検知閾値）である所定値（所定変動閾値）Ｐｔｈ以上であるか否かを判別する（図３中段図参照）。
｜Ｐ１－Ｐ２｜≧Ｐｔｈ …（２）
圧力検出器５１、５２に故障が発生していない（正常な）場合、圧力値Ｐ１と圧力値Ｐ２は、略等しいので、上記（２）式の判定は、否定的（ステップＳ３：ＮＯ）となる。
この場合、制御装置２２は、処理をステップＳ１０、Ｓ１１を経てステップＳ１にもどし、ステップＳ１：ＹＥＳの判定を通じてステップＳ２にて、上述した通常発電運転を継続する。
なお、ステップＳ２での通常発電運転を継続するにあたり、ステップＳ１０にて、後述するステップＳ５の発電電力Ｐｆｃ（発電電流Ｉｆｃ）の制限処理が継続中であるか否かを判定し、制限処理継続中である（ステップＳ１０：ＹＥＳ）場合には、ステップＳ１１にて、制限処理を解除してステップＳ１に戻り、制限処理が継続中でない（ステップＳ１０：ＮＯ）場合には、そのままステップＳ１に戻る。
ステップＳ３の判定において、圧力検出器５１、５２のいずれかが故障状態（図３の異常発生時点ｔ２）となって、図３中段図の時点ｔ２～時点ｔ３間に示すように、上記した差分｜Ｐ１－Ｐ２｜が増大して「｜Ｐ１－Ｐ２｜≧Ｐｔｈ」の判定が肯定的（ステップＳ３：ＹＥＳ）となったとき（図３の故障検知時点ｔ３参照）に、いずれかの圧力検出器５１、５２が故障している可能性があると判定し、ステップＳ４の故障検知確定処理に進む。
ステップＳ４にて、制御装置２２は、故障検知時点ｔ３（ステップＳ３の肯定的判定の成立時点）から、記憶器６５に予め記録されている故障判別確定時間である規定時間Ｔｃｔの経過時点である故障確定時点ｔ４までのプリセットダウン計時を計時器６４により開始する。なお、以下に説明するステップＳ４：ＮＯ→ステップＳ５→ステップＳ３：ＹＥＳ→ステップＳ４のダウン計時中であれば、計時器６４による計時を継続する。
すなわち、ステップＳ４にて、制御装置２２は、ステップＳ３の故障検知時点ｔ３からの経過時間（経過時間Ｔｄとする。）が規定時間Ｔｃｔ以上の時間になったか否かを判定する。
経過時間Ｔｄが規定時間Ｔｃｔ未満の時間である（ステップＳ４：ＮＯ）場合には、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５にて、制御装置２２は、負荷１２の変動による要求発電電力Ｐｒｅｑの変動を原因とする差分｜Ｐ１―Ｐ２｜の変動を制限する処理を行う。
具体的には、圧力検出器５１又は圧力検出器５２の故障を精度よく迅速に判別するために、制御装置２２は、計時開始時点である故障検知時点ｔ３以降において、発電電力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｉｆｃ×Ｖｆｃ）の変動量ΔＰｆｃ（ΔＰｆｃ≒ΔＩｆｃ×Ｖｆｃ）を制限する。
このため、制御装置２２は、電流検出器１１２により測定される発電電流Ｉｆｃの時間変動量である変動量ΔＩｆｃ［Ａ／ｓｅｃ］を、予め定めて記憶器６５に記録されている所定変動閾値である閾値（所定値）ΔＩｆｃｔｈ［Ａ／ｓｅｃ］以下に制限してステップＳ３に進む。
実際上、ステップＳ５の処理では、制御装置２２は、負荷１２の要求発電電力Ｐｒｅｑが計時開始時点である故障検知時点ｔ３より高負荷に対応する大きな要求発電電力Ｐｒｅｑとなった場合には、変動量ΔＩｆｃ［Ａ／ｓｅｃ］がΔＩｆｃｔｈ［Ａ／ｓｅｃ］以内となる範囲で発電電力Ｐｆｃを増加して負荷１２に供給し、故障検知時点ｔ３より低負荷となった場合には、発電電力Ｐｆｃは、変化させないで余剰発電電力は、図示しないバッテリ等の蓄電器に蓄電する。なお、前記蓄電器が余剰発電電力を吸収できない場合は、燃料電池スタック１４の発電を低負荷一定発電電力に制限する。
または、ステップＳ５の制限処理継続中には、燃料電池スタック１４の発電電力Ｐｆｃは変化させずに、要求発電電力Ｐｒｅｑの変動分は、前記蓄電器の充放電電力により吸収するように制御してもよい。
ステップＳ３にて、再び、故障検知確定処理を行う。この場合、例えば、インパルス的なノイズ等により一時的に圧力検出器５１で検出される圧力値Ｐ１が増大していた場合には、制御装置２２によるステップＳ３の判定は否定的（ステップＳ３：ＮＯ）とされ、ステップＳ１０：ＮＯ（又はステップＳ１０：ＹＥＳ→ステップＳ１１）→ステップＳ１：ＹＥＳ→ステップＳ２の順で通常発電運転での発電制御を継続する。
一方、ステップＳ３の肯定的な判定（ステップＳ３：ＹＥＳ）が継続している場合に、ステップＳ４にて、制御装置２２は、ステップＳ３の異常判定が成立した故障検知時点ｔ３である計時器６４によるダウン計時の計時開始時点からの経過時間Ｔｄが規定時間Ｔｃｔ以上の時間になったか否かを判定する。
制御装置２２は、経過時間Ｔｄが規定時間Ｔｃｔ以上の時間となった（ステップＳ４：ＹＥＳ）ときを、故障確定時点ｔ４（図３参照）として処理をステップＳ６に進める。
ステップＳ６では、次の（３）式での圧力推定値Ｐｅｓｔを参照し、参照した後にステップＳ７に進める。
圧力推定値Ｐｅｓｔは、図３下段図に示すように、燃料電池スタック１４の発電運転中に連続して算出される。なお、制御装置２２による圧力推定値Ｐｅｓｔの算出負荷（演算負荷）が大きい場合には、故障確定時点ｔ４に算出するようにしてもよい。
（３）式に示すように、「圧力推定値＝異常発生時点ｔ２の圧力値－燃料ガスの消費による圧力変動量＋燃料ガスの供給による圧力変動量」になる。
Ｐｅｓｔ＝Ｐｉｂ―Ｐｇｃ＋Ｐｇｓ …（３）
ここで、異常発生時点ｔ２の圧力値Ｐｉｂは、異常発生時点ｔ２から短い所定時間である一定時間ΔＴ（図３中段図）遡った、異常発生時点ｔ２の直前の時点である圧力推定値算出時点ｔ１の圧力値Ｐｉｂ（図３上段図）としてもよい。
異常発生時点ｔ２から圧力検出器５１の圧力値Ｐ１と圧力検出器５２の圧力値Ｐ２との乖離が始まるが、もともと、圧力検出器５１と圧力検出器５２とのオフセットによる圧力値Ｐ１、Ｐ２の乖離分があるので、その乖離分の影響を除去するために、異常発生時点ｔ２（図３下段図）から一定時間（微小時間）ΔＴ遡った圧力推定値算出時点ｔ１での圧力推定値Ｐｅｓｔを採用することが好ましい。
（３）式中、燃料ガスの消費による圧力変動量Ｐｇｃは、燃料電池スタック１４の発電電力Ｐｆｃに寄与する燃料電池スタック１４内の燃料ガス消費量、圧力差に基づくアノード流路４２から電解質膜・電極構造体４６を通じてカソード流路４０への膜透過燃料ガス量及びドレイン弁６０を開放しているときの燃料ガス量と、からなるトータルの水素消費量と、アノード容積（燃料電池スタック１４内のアノード流路４２の容積及び燃料ガス出口連通口１０４から燃料ガス入口連通口１０３に至るまでの燃料ガス流路の容積）とに基づき、気体の状態方程式を参照して計算される。
（３）式中、燃料ガスの供給による圧力変動量Ｐｇｓは、調圧器３２から吐出される燃料ガス量に基づき計算される。
なお、燃料ガスの消費による圧力変動量Ｐｇｃと、燃料ガスの供給による圧力変動量Ｐｇｓは、温度検出器５０により測定される燃料ガス供給配管５６内の燃料ガスの温度Ｔａにより補正することにより、より精度を上げることができる。
この場合、燃料ガス供給配管５６内の燃料ガスの温度Ｔａは、燃料電池スタック１４を冷却する熱交換媒体（不図示）の温度を測定して代用するようにしてもよい。
ステップＳ７にて、制御装置２２は、次の（４）式により、故障している圧力検出器５１、５２、換言すれば、正常な圧力検出器５１、５２を特定（判定）する。
｜Ｐｅｓｔ－Ｐ１｜＞｜Ｐｅｓｔ－Ｐ２｜ …（４）
すなわち、圧力検出器５１、５２の圧力値Ｐ１、Ｐ２の圧力推定値Ｐｅｓｔからの差分（｜Ｐｅｓｔ－Ｐ１｜及び｜Ｐｅｓｔ－Ｐ２｜）の大きい方の圧力検出器５１、５２が故障していると判定する。
圧力検出器５１の圧力値Ｐ１の圧力推定値Ｐｅｓｔからの差分｜Ｐｅｓｔ－Ｐ１｜が圧力検出器５２の圧力値Ｐ２の圧力推定値Ｐｅｓｔからの差分｜Ｐｅｓｔ－Ｐ２｜より大きい（ステップＳ７：ＹＥＳ）場合には、圧力検出器５１が故障していると判定し、ステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、制御装置２２は、以降、正常であると判定した圧力検出器５２の圧力値Ｐ２により燃料電池スタック１４の通常発電運転（応急発電運転）を継続する。すなわち、ステップＳ１：ＹＥＳ→ステップＳ２に進む。この場合、ステップＳ３の判定が否定的となって、ステップＳ２の発電制御が継続されるように、ステップＳ８にて、制御装置２２は、故障と判定した圧力検出器５１の圧力値Ｐ１を圧力値Ｐ２に書き換える。
一方、圧力検出器５１の圧力値Ｐ１の圧力推定値Ｐｅｓｔからの差分｜Ｐｅｓｔ－Ｐ１｜が圧力検出器５２の圧力値Ｐ２の圧力推定値Ｐｅｓｔからの差分｜Ｐｅｓｔ－Ｐ２｜より小さい（ステップＳ７：ＮＯ）場合には、圧力検出器５２が故障していると判定し、ステップＳ９に進む。
ステップＳ９では、制御装置２２は、以降、正常であると判定した圧力検出器５１の圧力値Ｐ１により通常発電運転（応急発電運転）を継続する。すなわち、ステップＳ１：ＹＥＳ→ステップＳ２に進む。この場合には、故障と判定した圧力検出器５２の圧力値Ｐ２を圧力値Ｐ１に書き換える。
ステップＳ７の判定結果が判明したときに、図示しない表示装置上に故障した圧力検出器５１、５２を表示してユーザに故障修理を促す。また、故障した圧力検出器５１、５２の情報を、通信を介して販売店等に通知し、当該燃料電池システム１０が応急的な発電運転中であることを知らせてもよい。
なお、ステップＳ８又はステップＳ９からステップＳ１に戻る場合には、制御装置２２は、ステップＳ２からステップＳ３の判定に進まないように、ステップＳ８、Ｓ９にて故障した圧力検出器５１、５２の故障フラグＦｆを立て、ステップＳ２で前記故障フラグＦｆを参照して、故障フラグＦｆが立っている場合には、ステップＳ１にもどるように制御してもよい。
図２のフローチャートに係るプログラムを実行する上記実施形態では、圧力検出器５１、５２のいずれかが故障状態（図３の異常発生時点ｔ２）となって、図３中段図の時点ｔ２～時点ｔ３間に示すように、上記した差分｜Ｐ１－Ｐ２｜が増大して「｜Ｐ１－Ｐ２｜≧Ｐｔｈ」の判定が肯定的（ステップＳ３：ＹＥＳ）となったとき（図３の故障検知時点ｔ３参照）に、いずれかの圧力検出器５１、５２が故障している可能性があると推定する。そして、この故障可能性推定時である故障検知時点ｔ３から故障判別確定時間である規定時間Ｔｃｔの経過時点である故障確定時点ｔ４まで、一律に、ステップＳ５にて、発電電力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）に係わる発電電流Ｉｆｃの変動量ΔＩｆｃを所定変動閾値である所定値ΔＩｆｃｔｈ［Ａ／ｓｅｃ］以下に制限している。
但し、一律に制限することにより次に説明する課題が発生する。この課題を、図４のタイミングチャートを参照して説明する。異常発生時点ｔ２以降に、図４上段図に示すように、負荷１２の増減、例えば、負荷１２が燃料電池自動車のモータである場合、アクセル操作に基づく加減速等により要求発電電力Ｐｒｅｑの増減幅が大きくなった場合を想定する。
このように、燃料電池スタック１４の発電電力Ｐｆｃの変動（出力変動）が大きい場合には、燃料ガス供給配管５６の圧力値であるアノード圧力Ｐａの圧力変動が大きくなり故障検知が確定できない可能性がある。
すなわち、図４中段図及び図４下段図に示すように、時点ｔ３´において、「｜Ｐ１－Ｐ２｜≧Ｐｔｈ」の判定が肯定的（ステップＳ３：ＹＥＳ）となったときに、故障検知を確定するための規定時間Ｔｃｔの計時前に、「｜Ｐ１－Ｐ２｜＜Ｐｔｈ」と、差分｜Ｐ１－Ｐ２｜が故障検知閾値Ｐｔｈより小さくなってしまう。このため、実際には、圧力検出器５１が故障を発生しているにも拘わらず、故障検知を確定することができなくなってしまう。
この場合、上記実施形態では、差分｜Ｐ１－Ｐ２｜が故障検知閾値Ｐｔｈを上回り、「｜Ｐ１－Ｐ２｜≧Ｐｔｈ」の判定が肯定的（ステップＳ３：ＹＥＳ）となったとき、ステップＳ５にて、発電電力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）に係わる発電電流Ｉｆｃの変動量ΔＩｆｃが所定変動閾値である所定値ΔＩｆｃｔｈ［Ａ／ｓｅｃ］以下となるように制限している。したがって、時点ｔ３´以降は、アノード圧力Ｐａの変動量が制限されることになり、故障検知を確定することができ、ステップＳ２での通常発電運転（応急発電運転）を継続することができる。
なお、故障判別確定時間である規定時間Ｔｃｔの経過前に、ステップＳ３の判定が成立しなくなった場合には、ステップＳ１１で制限を解除して通常発電運転を継続する。
［変形例］
上記実施形態は、以下のような変形も可能である。
図５は、変形例の動作説明に供されるフローチャートである。
なお、図５において、上記図２に示したものと対応するステップには、同一のステップ番号を付けてその詳細な説明を省略する。
図５のフローチャートでは、図２のフローチャートと比較対照して、ステップＳ４の判定が否定的となったときに、ステップＳ２１の判定処理を追加している。
このステップＳ２１の判定処理では、制御装置２２は、ステップＳ５での発電電力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｉｆｃ×Ｖｆｃ）の変動量ΔＰｆｃ（ΔＰｆｃ≒ΔＩｆｃ×Ｖｆｃ）を制限する前に、発電電流Ｉｆｃの変動量ΔＩｆｃが所定変動閾値である閾値ΔＩｆｃｔｈ以下であるか否かを判定する。
変動量ΔＩｆｃが閾値ΔＩｆｃｔｈを上回る値である（ステップＳ２１：ＮＯ）場合には、ステップＳ５にて、実施形態と同様に、変動量ΔＩｆｃを閾値ΔＩｆｃｔｈ以下に制限するが、変動量ΔＩｆｃが閾値ΔＩｆｃｔｈ未満の値である（ステップＳ２１：ＹＥＳ）場合には、ステップＳ１０（ステップＳ１１）→ステップＳ１：ＹＥＳ→ステップＳ２と、変動量ΔＩｆｃを制限しない通常発電運転（ステップＳ２）を継続しながら、ステップＳ３、ステップＳ４の故障検知確定処理を継続する。
この変形例によれば、負荷１２の増減、例えば、負荷１２が燃料電池自動車のモータである場合、アクセル操作に基づく加減速等の変動が少なく要求発電電力Ｐｒｅｑの増減幅が小さい場合には、その増減幅に応じた燃料電池スタック１４の発電運転を継続できるので、いわゆるドライバビリティを僅かでも損なうことがない。
［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態及び変形例から把握し得る発明について、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］この発明に係る燃料電池システム１０は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック１４を有する燃料電池システムであって、高圧の燃料ガスが収容される高圧容器１６と、該高圧容器から吐出される燃料ガスを調圧し、調圧した燃料ガスを、燃料ガス供給配管５６を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器３２と、前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器５１、５２と、前記調圧器を制御する制御装置２２と、を備え、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値Ｐ１、Ｐ２の差分が所定値以上の場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、推定した圧力推定値Ｐｅｓｔに近い値の圧力値を検出している圧力検出器が正常な圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続する。
この構成により、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、言い換えれば、いずれかの圧力検出器が異常状態に遷移した場合、複数の前記圧力検出器により検出された各圧力値と、燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給状況及び燃料電池スタック内での燃料ガスの消費状況に基づいて推定した圧力推定値と、を比較することで、正常な圧力検出器を的確に判別することができる。
複数の圧力検出器のうち、いずれかの圧力検出器が異常状態に遷移した場合、正常な圧力検出器を用いて燃料電池システムの発電運転を継続することができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。
［２］また、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記正常な圧力検出器が判別されるまでの規定時間Ｔｃｔ未満の間は、前記燃料電池スタックの発電出力の変動量を制限する（ステップＳ５）。
このように、燃料電池スタックの発電出力の変動量を制限することで、圧力推定値の算出精度を高めることができる。しかも、精度の高い圧力推定値を短時間に算出することができる。
［３］さらに、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの発電出力の変動量が規定値（所定値）以上のとき、前記正常な圧力検出器が判別される（ステップＳ４：ＹＥＳ）まで、前記燃料電池スタックの発電出力の変動量を制限する（ステップＳ５）ようにしてもよい。
このように、燃料電池スタックの発電出力の変動量が規定値（所定値）未満のときには、前記燃料電池スタックの発電出力の変動量を制限しないので、例えば、燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車等のドライバビリティの制限を抑制できる。
［４］さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの発電出力は、前記燃料電池スタックの発電電流Ｉｆｃに基づき算出され、前記燃料電池スタックの発電出力の変動量は、前記発電電流の単位時間当たりの変動量ΔＩｆｃ［Ａ／ｓｅｃ］とされる。
これにより、燃料電池スタックの発電出力、及び該発電出力の変動量を簡単且つ高精度に算出することができる。
［５］さらにまた、燃料電池システムにおいては、複数の前記圧力検出器の圧力データ履歴を現在時刻から一定時間ΔＴ分遡って連続的にログし、前記制御装置は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定した前記圧力推定値を算出するにあたり、前記複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値から前記燃料ガスの消費状況による圧力値を減算すると共に、前記燃料ガスの供給状況による圧力値を加算した値（３式）を前記圧力推定値とするようにしてもよい。
これにより、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値である複数の圧力検出器に測定されていた正常とみなす圧力値から、現時点の燃料ガスの供給状況（燃料ガス供給による圧力値の上昇量）を加算すると共に、燃料ガスの消費状況（燃料ガス消費による圧力値の低下量）を減算した値を、圧力推定値とすることで圧力推定値の推定精度を高くすることができる。
［６］さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値は、前記複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点（ｔ２）の直前の過去の圧力値とするようにしてもよい。
これにより、異常発生時点直前の圧力値に基づき圧力推定値を推定するので、推定精度を高くすることができる。
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。
１０…燃料電池システム １４…燃料電池スタック
１６…高圧容器 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…燃料ガス供給装置 ２２…制御装置
３２…調圧器 ４０…カソード流路
４２…アノード流路 ５０…温度検出器
５１…圧力検出器 ５２…圧力検出器
５６…燃料ガス供給配管 ６２…電源スイッチ
６４…計時器 ６５…記憶器

Claims (6)

  1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
    高圧の前記燃料ガスが収容される高圧容器と、
    該高圧容器から吐出される前記燃料ガスを調圧し、調圧した前記燃料ガスを、燃料ガス供給配管を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器と、
    前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器と、
    前記調圧器を制御する制御装置と、
    蓄電器と、を備え、
    前記制御装置は、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、
    前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、
    推定した圧力推定値に近い値の圧力値を検出している前記圧力検出器が正常な前記圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した前記圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続するに際し、
    前記制御装置は、
    前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定する場合に、前記圧力検出器が正常であると判別されるまでの規定時間未満の間に前記燃料電池スタックに要求される発電出力の変動分を、前記蓄電器の充放電電力により吸収するようにして前記燃料電池スタックの前記発電出力の変動量を制限する
    燃料電池システム。
  2. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
    高圧の前記燃料ガスが収容される高圧容器と、
    該高圧容器から吐出される前記燃料ガスを調圧し、調圧した前記燃料ガスを、燃料ガス供給配管を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器と、
    前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器と、
    前記調圧器を制御する制御装置と、
    蓄電器と、を備え、
    前記制御装置は、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、
    前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、
    推定した圧力推定値に近い値の圧力値を検出している前記圧力検出器が正常な前記圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した前記圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続するに際し、
    前記制御装置は、
    前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定する場合に、前記燃料電池スタックに要求される発電出力の変動量が規定値以上のとき、前記圧力検出器が正常であると判別されるまで、前記燃料電池スタックに要求される前記発電出力の変動分を、前記蓄電器の充放電電力により吸収するようにして前記燃料電池スタックの前記発電出力の変動量を制限する
    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において、
    複数の前記圧力検出器の圧力データ履歴を現在時刻から一定時間分遡って連続的にログし、
    前記制御装置は、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、
    前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定した前記圧力推定値を算出するに際し、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値から前記燃料ガスの消費状況による圧力値を減算すると共に、前記燃料ガスの供給状況による圧力値を加算した値を前記圧力推定値とする
    燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点の直前の過去の圧力値とする
    燃料電池システム。
  5. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
    高圧の前記燃料ガスが収容される高圧容器と、
    該高圧容器から吐出される前記燃料ガスを調圧し、調圧した前記燃料ガスを、燃料ガス供給配管を介して前記燃料電池スタックに供給する調圧器と、
    前記燃料ガス供給配管に設けられ、該燃料ガス供給配管内の前記燃料ガスの圧力を測定する複数の圧力検出器と、
    前記調圧器を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、
    前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定し、
    推定した圧力推定値に近い値の圧力値を検出している前記圧力検出器が正常な前記圧力検出器であると判別し、以降、正常であると判別した前記圧力検出器の圧力値に基づき、当該燃料電池スタックの発電運転を継続するに際し、
    複数の前記圧力検出器の圧力データ履歴を現在時刻から一定時間分遡って連続的にログし、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上の場合、
    前記調圧器から前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの供給状況及び前記燃料電池スタック内での前記燃料ガスの消費状況に基づき前記燃料ガス供給配管内の圧力値を推定した前記圧力推定値を算出するに際し、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値から前記燃料ガスの消費状況による圧力値を減算すると共に、前記燃料ガスの供給状況による圧力値を加算した値を前記圧力推定値とする
    燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
    複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点より前の前記圧力データ履歴による過去の圧力値は、複数の前記圧力検出器により検出された圧力値の差分が所定値以上となった時点の直前の過去の圧力値とする
    燃料電池システム。
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