WO2009057534A1 - 燃料電池システム、および、燃料電池システムの起動制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、および、燃料電池システムの起動制御方法 Download PDF

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Naoki Kanie
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a startup control method of the fuel cell system.
  • a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen) has attracted attention as an energy source.
  • a fuel gas for example, hydrogen
  • an oxidant gas for example, oxygen
  • a reaction gas fuel gas and oxidant gas used for power generation
  • the open circuit voltage of the fuel cell is reduced.
  • it is determined whether or not the fuel cell has become connectable to the load that is, whether or not the open circuit voltage of the fuel cell has increased to a predetermined voltage. 5-3 0 2 5 3 9).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a fuel cell system.
  • the purpose is to accurately determine the power generation abnormality in the fuel cell at startup.
  • the present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the problems described above.
  • a fuel cell system comprising: a fuel cell; a reaction gas supply unit that supplies a reaction gas for power generation to the fuel cell; and at the start of the fuel cell system, the reaction gas supply unit A reaction gas supply completion determination unit that determines whether or not the supply of the reaction gas to the fuel cell is completed; and after the reaction gas supply completion determination unit determines that the supply of the reaction gas is completed
  • a fuel cell system comprising: a power generation abnormality determination unit that determines presence or absence of power generation abnormality in the fuel cell based on an open circuit voltage of the fuel cell.
  • the open circuit voltage of the fuel cell is measured, and the power generation abnormality in the fuel cell is measured based on the measured open circuit voltage. The presence or absence of is determined. Therefore, the power generation abnormality in the fuel cell can be accurately determined when the fuel cell system is started.
  • the open circuit voltage of the fuel cell is measured after the supply of the reaction gas to the fuel cell is completed, there is an abnormality in the reaction gas supply unit (reaction gas supply system). Whether the circuit voltage does not rise to the specified voltage or because the fuel cell itself is abnormal, isolates whether the open circuit voltage of the fuel cell does not increase to the specified voltage, and accurately determines power generation abnormality in the fuel cell can do. Then, when a power generation abnormality in the fuel cell is determined, so-called fail safe mode control can be performed.
  • the first predetermined time can be arbitrarily set within a range in which the open circuit voltage of the fuel cell is assumed to reach the predetermined voltage if there is no power generation abnormality in the fuel cell.
  • Application Example 3 The fuel cell system according to Application Example IV or 2, further comprising a pressure detection unit that detects the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell, and determining whether the reaction gas has been supplied. The fuel cell system determines whether or not the supply of the reaction gas to the fuel cell is completed based on the pressure of the reaction gas detected by the pressure detection unit.
  • reaction gas supply unit reaction gas supply system
  • reaction gas supply unit reaction gas supply Therefore, it is possible to suppress erroneous determination of abnormality in the reactive gas supply unit.
  • the second predetermined time can be arbitrarily set within a range in which the reaction gas pressure is assumed to reach the predetermined pressure without any abnormality in the reaction gas supply unit.
  • Application Example 5 The fuel cell system according to (1) or (2), further including a flow rate detection unit that detects a flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell, and the reaction gas The supply completion determination unit determines whether or not the supply of the reaction gas to the fuel cell is completed based on the flow rate of the reaction gas detected by the flow rate detection unit.
  • reaction gas supply unit reaction gas supply system
  • reaction gas supply completion determination unit is further configured to start supplying the reaction gas to the fuel cell by the reaction gas supply unit. 2. The fuel cell system, wherein when the flow rate of the reaction gas does not reach the predetermined flow rate within a predetermined time of 2, the reaction gas supply unit determines that there is an abnormality.
  • reaction gas supply unit reaction gas supply Therefore, it is possible to suppress erroneous determination of abnormality in the reactive gas supply unit.
  • the second predetermined time can be set arbitrarily within the range where the flow rate of the reaction gas is expected to reach the specified flow rate if there is no abnormality in the reaction gas supply and supply section.
  • reaction gas supply unit reaction gas supply system
  • the present invention may be configured by appropriately combining some of the various features mentioned above. it can.
  • the present invention can also be configured as an invention of a startup control method for a fuel cell system.
  • it can be realized in various modes such as a computer program that realizes these, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave.
  • the various additional elements shown above can be applied.
  • the present invention is configured as a computer program or a recording medium that records the program
  • the entire program for controlling the operation of the fuel cell system may be configured, or only the portion that performs the functions of the present invention. It can also be configured.
  • Recording media include flexible disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, magneto-optical disks, IC cards, ROM cartridges, punched cards, printed codes printed with codes such as barcodes, and computer internal storage devices ( Various types of computer-readable media such as RAM and ROM) and external storage devices can be used.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 100 having a fuel cell stack 100 as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing function blocks in the control unit 90 for executing the activation control process of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the flow of the start control process of the first embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing functional blocks in the control unit 9 O A for executing the startup control process of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the activation control process of the second embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 100 including a fuel cell stack 100 as an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack 100 has a stack structure in which a plurality of fuel cell modules 40 that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are stacked.
  • Each fuel cell module 40 generally has a configuration in which a membrane electrode assembly in which an anode and a force sword are joined to both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity is sandwiched between separators.
  • Each of the anode and the force sword includes a catalyst layer bonded to each surface of the electrolyte membrane and a gas diffusion layer bonded to the surface of the catalyst layer.
  • a solid polymer film such as naphthion (registered trademark) is used as the electrolyte film.
  • As the electrolyte membrane another electrolyte membrane such as a solid oxide may be used.
  • a flow path of hydrogen as a fuel gas to be supplied to the anode a flow path of air as an oxidant gas to be supplied to the power sword, and a flow path of cooling water are formed.
  • the number of stacked fuel cell modules 40 can be arbitrarily set according to the output required for the fuel cell stack 100.
  • the fuel cell stack 1 0 0 has an end plate 1 0 a, an insulating plate 2 0 a, a current collecting plate 3 0 a, a plurality of fuel cell modules 4 0, a current collecting plate 3 0 b, and an insulating plate 2 0 b, End plate ⁇ 1 0 b It is constructed by laminating in order. These are provided with a supply port and a discharge port for flowing hydrogen, air, and cooling water in the fuel cell stack 100. Also, in the fuel cell stack ⁇ 0 0, supply manifolds (hydrogen supply manifolds, air) for distributing and supplying hydrogen, air, and cooling water to the respective fuel cell modules 40 are provided.
  • supply manifolds hydrogen supply manifolds, air
  • each fuel A discharge manifold anode off-gas discharge mask for collecting anode off-gas and power sword off-gas discharged from the anode and cathode of the battery module 40 and cooling water and discharging them outside the fuel cell stack 100 2 hold, force sword off gas discharge manifold, cooling water discharge manifold hold).
  • the end braces 1 0 a and 1 0 b are made of metal such as heels to ensure rigidity.
  • the insulating plates 20 a and 2 O b are formed of an insulating member such as rubber or resin.
  • the current collector plates 30a and 3Ob are formed of dense carbon or a gas-impermeable conductive member such as a copper plate.
  • the current collector plates 30a and 30b are provided with output terminals (not shown), respectively, so that the power generated by the fuel cell stack 100 can be output. Further, a voltmeter 80 for measuring the open circuit voltage of the fuel cell stack 100 is connected to the current collector plates 30 a and 3 Ob.
  • the fuel cell stack 100 is designed to suppress a decrease in cell performance due to an increase in contact resistance at any part of the stack structure or to suppress gas leakage.
  • a predetermined fastening load is applied, and it is fastened by the $ Imperial member.
  • Hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell stack 100 from a hydrogen tank 50 storing high-pressure hydrogen via a hydrogen supply pipe 53.
  • a hydrogen-rich gas may be generated by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon, aldehyde or the like as a raw material, and supplied to the anode.
  • the hydrogen supply pipe 5 3 includes a pressure sensor PS h for detecting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 and a flow rate for detecting the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 100.
  • Sensor FS h or ' is installed.
  • the high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 50 is controlled by the shut valve 51 at the outlet of the hydrogen tank 50 and the pressure regulator 52 and the supply amount is adjusted to hold the hydrogen supply manifold.
  • the anode off gas discharged from each fuel cell module 40 can be discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via the discharge pipe 56 connected to the anode off gas discharge manifold.
  • hydrogen contained in the anode off gas is processed by a diluter or the like (not shown).
  • a circulation pipe 5 4 for recirculating the anode off gas to the hydrogen supply pipe 53 is connected to the hydrogen supply pipe 53 and the discharge pipe 56.
  • An exhaust valve 5 7 is disposed on the downstream side of the connection portion of the discharge pipe 56 with the circulation pipe 54.
  • the circulation pipe 5 4 is provided with a pump 55. By controlling the driving of the pump 55 and the exhaust valve 57, it is possible to appropriately switch whether the anode off gas is discharged to the outside or circulated through the hydrogen supply pipe 53. By recirculating the anode off gas to the hydrogen supply pipe 53, unconsumed hydrogen contained in the anode off gas can be used efficiently.
  • the compressed air compressed by the air conditioner 60 is supplied to the power sword of the fuel cell stack 100 as an oxidant gas containing oxygen through the air supply pipe 61.
  • the compressed air is supplied to the power sword of each fuel cell module 40 through the air supply manifold connected to the air supply pipe 61.
  • Cathode off-gas discharged from the cathode of each fuel cell module 40 is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via a discharge pipe 62 connected to the cathode gas exhaust manifold. From the discharge pipe 62, the generated water generated by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is discharged together with the power sword-off gas at the cathode of the fuel cell stack 100.
  • the air supply pipe 61 is provided with a flow sensor FSa for detecting the flow rate of the air supplied to the fuel cell stack 100.
  • a pressure sensor PSa that indirectly detects the pressure of air supplied to the fuel cell stack 100 is disposed in the discharge pipe 62. Since the fuel cell stack 100 generates heat by the above-described electrochemical reaction, cooling water for cooling the fuel cell stack 100 is also supplied to the fuel cell stack 100. This cooling water flows through the pipe 72 by the pump 70, is cooled by the Laje evening 71, and is supplied to the fuel cell stack 100.
  • the operation of the fuel cell system 000000 is controlled by the control unit 90.
  • the control unit 90 is configured as a microcomputer equipped with a CPU, RAM, ROM, evening camera, etc., and according to the program stored in the ROM, for example, various valve and pump operation, etc. To control.
  • the control unit 90 performs a startup control process, which will be described later, based on the outputs of the pressure sensors PS h and PS a, the flow sensors FS h and FS a, and the voltmeter 80 when the fuel cell system 1 000 is started. To do. A2. Control unit:
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing function blocks in the control unit 90 for executing the activation control process of the first embodiment.
  • the control unit 90 includes a reaction gas supply completion determination unit 92, a power generation abnormality determination unit 94, and a timer 96.
  • the reaction gas supply completion determination unit 92 determines whether the pressure of hydrogen and the pressure of air supplied to the fuel cell stack 100 detected by the pressure sensor PS h and the pressure sensor PS a are respectively Based on whether or not the predetermined pressure has been reached, it is determined whether or not the supply of hydrogen and air to the fuel cell stack 100 has been completed.
  • the power generation abnormality determination unit 94 determines whether there is a power generation abnormality in the fuel cell stack ⁇ 00.
  • the Eima 96 is the time elapsed since the start of the supply of the reaction gas (hydrogen and air) to the fuel cell stack 100, and the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100. Measure elapsed time.
  • the activation control process of the first embodiment will be described in detail.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the flow of start-up control processing of the fuel cell system 1000 according to the first embodiment. This process is executed by the CPU of the control unit 90 when the fuel cell system 1 000 is started.
  • the CPU controls various valves and pumps to supply reaction gas (hydrogen and air) to the fuel cell stack 100. (Step S 1 00). At this time, the CPU uses the timer 96 to measure the elapsed time from the start of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100.
  • the CPU detects the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 and the pressure of air using the pressure sensors PS h and PS a, respectively (step S 1 1 0), and determines whether or not the reaction gas supply is completed.
  • the unit 92 determines whether or not the hydrogen pressure and the air pressure respectively reach predetermined pressures (step S 120). Note that the predetermined pressure for hydrogen and the predetermined pressure for air are set individually in advance.
  • the supply completion determination unit 92 refers to the timer 96 to determine whether or not a predetermined time T 2 has elapsed from the start of supply of the reaction gas to the fuel cell stack 00 (step S 1 30).
  • the predetermined time T 2 can be arbitrarily set within a range in which the reaction gas pressure is assumed to reach the predetermined pressure if there is no abnormality in the reaction gas supply system.
  • This predetermined time T2 corresponds to the second predetermined time in the present invention. If the predetermined time T2 has not elapsed since the start of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 (step S730: NO), the process returns to step S110.
  • step S 1 30 when the predetermined time T 2 has elapsed since the start of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 (step S 1 30: YES), the CPU has an abnormality in the reaction gas supply system. There is an abnormality in the hydrogen supply system when the hydrogen pressure does not reach the predetermined pressure, and there is an abnormality in the air supply system when the air pressure does not reach the predetermined pressure. Accordingly, connection of the load to the fuel cell stack 100 is prohibited (step S 1 3 2), and the supply of the reaction gas is stopped by controlling various valves and pumps (step S 140). In this case, the CPU prohibits the determination of the presence or absence of power generation abnormality in the fuel cell stack 00 described later. Then, the CPU ends the start control process.
  • step S 120 when the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 and the pressure of air reach predetermined pressures (step S 120: Y ES), the CPU The reaction gas supply completion determination unit 92 determines that the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is completed, and the voltmeter 80 measures the open circuit voltage OC V of the fuel cell stack 100 (step S 1 50) Get. At this time, the CPU resets the timer 96 and starts measuring the elapsed time from the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100.
  • the CPU determines whether or not the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 100 has become equal to or higher than the predetermined voltage OCV hh by the power generation abnormality determination unit 94 (step)
  • step S 1 60 When the open circuit voltage OCV exceeds the specified voltage OC V th (step S 1 60: YES), the CPU determines that there is no power generation abnormality in the fuel cell stack 100, and the fuel cell stack Allow connection of load to 1 00 (step S 1 6 2). Then, the CPU ends the activation control process.
  • step S 1 60 when the open circuit voltage OC V of the fuel cell stack ⁇ ⁇ 00 is less than the predetermined voltage OCV th (step S 1 60: NO), the CPU determines that the power generation abnormality determination unit 94 With reference to the timer 96, it is determined whether or not a predetermined time 1 has elapsed since the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 (step S 1 70).
  • the predetermined time T 1 is within a range in which the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 100 is assumed to reach the predetermined voltage OC V th if there is no power generation abnormality in the fuel cell stack 100. It can be set arbitrarily. This predetermined time T 1 corresponds to the first predetermined time in the present invention. If the predetermined time T1 has not passed since the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 (step S170: NO), the process returns to step S150.
  • step S 1 70 On the other hand, if the predetermined time T 1 has elapsed since the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 (step S 1 70), the CPU has a power generation abnormality in the fuel cell stack 100. Therefore, the connection of the load to the fuel cell stack 100 is prohibited (step S 1 72), and the supply of the reaction gas is stopped by controlling various valves and pumps (step S 140). Then, the CPU ends the start control process.
  • the fuel cell stack 1 00 in the start-up control process of the fuel cell system 1 000, after the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is completed, the fuel cell stack 1 00 The open circuit voltage OCV is measured, and the presence or absence of power generation abnormality in the fuel cell stack 100 is determined based on the measured open circuit voltage OCV. Therefore, the power generation abnormality in the fuel cell stack 100 can be accurately determined when the fuel cell system 000 is started.
  • the open circuit voltage OC V of the fuel cell stack 100 is measured after the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is completed, there is an abnormality in the reaction gas supply system.
  • the open circuit voltage OCV of the stack 100 does not rise to the predetermined voltage OC V th, or the fuel cell stack 100 itself has an abnormality, so the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 100 becomes the predetermined voltage OC V It is possible to accurately determine the power generation abnormality in the fuel cell stack 100 by separating whether it rises to th.
  • so-called fail-safe mode control in this embodiment, supply of reactive gas is stopped) can be performed.
  • the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 100 is determined within a predetermined time T 1 after it is determined that the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is completed. If the battery does not reach the specified voltage OCV th, the fuel cell stack 1 Since it is determined that there is a power generation abnormality at 0 0, erroneous determination of power generation abnormality in the fuel cell stack 100 can be suppressed.
  • the configuration of the fuel cell system of the second embodiment is substantially the same as the configuration of the fuel cell system 1 0 0 0 of the second embodiment. Therefore, the description of the configuration of the fuel cell system of the second embodiment is omitted. However, in the fuel cell system of the second embodiment, a part of the start control process is different from the start control process in the first embodiment. Hereinafter, the control unit and start control processing of the second embodiment will be described.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a function block in the control unit 90 A for executing the activation control process of the second embodiment.
  • the control unit 9 O A includes a reaction gas supply completion determination unit 9 2 A, a power generation abnormality determination unit 94, and a timer 96.
  • the reaction gas supply completion determination unit 9 2 A has a flow rate of hydrogen and a flow rate of air supplied to the fuel cell stack 100 detected by the flow rate sensor FS h and the flow rate sensor FS a, respectively. Whether or not the supply of hydrogen and air to the fuel cell stack 100 is completed is determined based on whether or not a predetermined flow rate has been reached. Departure The functions of the electric abnormality determination unit 94 and the timer 96 are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of activation control processing in the second embodiment. This process is executed by the CPU 90 of the control unit 90 when the fuel cell system 1 000 is started.
  • the CPU detects the flow rate of hydrogen and the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 100 by the flow rate sensors FS and FS a, respectively.
  • the reaction gas supply completion determination unit 92 A determines whether the flow rate of hydrogen and the flow rate of air have reached the predetermined flow rates (Step S 20 A).
  • the predetermined flow rate for hydrogen and the predetermined flow rate for air are set individually in advance.
  • step S 1 20 AN 0 If at least one of the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack ⁇ 00 and the flow rate of air does not reach the predetermined flow rate (step S 1 20 AN 0), the CPU performs step SI. Proceed to 30. On the other hand, when the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 and the flow rate of air reach the predetermined pressure (step S 1 20 A: YES), the CPU proceeds to step S 1 50. move on.
  • the reaction to the fuel cell stack 100 is performed in the start-up control process of the fuel cell system.
  • the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 100 is measured, and the presence or absence of power generation abnormality in the fuel cell stack 100 is determined based on the measured open circuit voltage OCV. Therefore, it is possible to accurately determine the power generation abnormality in the fuel cell stack 100 when the fuel cell system is started.
  • the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 100 is measured, so there is an abnormality in the reaction gas supply system.
  • the open circuit voltage OCV of the battery stack 1 0 0 does not rise to the predetermined voltage OCV th or because there is an abnormality in the fuel cell stack 1 0 0 itself, the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 1 0 0 is predetermined.
  • the power generation abnormality in the fuel cell stack 100 can be accurately determined by separating whether the voltage OCV th does not increase.
  • so-called fail-safe mode control in this embodiment, supply of reactive gas is stopped
  • the startup control process of the second embodiment after it is determined that the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is completed, a predetermined time If the open circuit voltage 0 CV of the fuel cell stack 100 0 does not reach the predetermined voltage 0 CV th within 10 minutes, it is determined that the fuel cell stack 1 0 0 has a power generation abnormality. Incorrect determination of power generation abnormality in battery stack ⁇ 0 0 can be suppressed.
  • the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is determined based on the supply pressure of hydrogen and air, and the second embodiment described above. Then, in the start-up control process, the completion of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack ⁇ 0 0 is determined based on the supply flow rates of hydrogen and air.
  • the present invention is not limited to this, You may make it combine these suitably.
  • step 1 2 0 of the startup control process when the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell stack ⁇ 0 0 and the pressure of air respectively reach predetermined pressures in step 1 2 0 of the startup control process shown in FIG.
  • the CPU of the control unit 90 resets the timer 96
  • the present invention is not limited to this. That is, in step 1 2 0 of the startup control process, when the hydrogen pressure supplied to the fuel cell stack 100 and the air pressure respectively reach the predetermined pressure, the timer 96 is not reset.
  • step S ⁇ 70 the elapsed time from the start of supply of the reaction gas to the fuel cell stack ⁇ 0 0 Based on the above, it may be determined whether to return to step S 1 5 0 or to proceed to step S 1 72.
  • step 12 OA of the start control process the flow rate of hydrogen and the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 100 in the step 12 OA of the start control process shown in FIG.
  • the CPU of the control unit 90 A resets the timer 96, but the present invention is not limited to this. That is, in step 1 2 OA of the start control process, when the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack ⁇ 0 0 and the flow rate of air reach the predetermined pressure, the timer 96 is reset.
  • the elapsed time from the start of the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is continuously measured, and in step S 1 70, when the supply of the reaction gas to the fuel cell stack 100 is started. It may be determined whether to return to step S 1 5 0 or to proceed to step S 1 72 based on the elapsed time from.
  • the pressure sensor PS h and the flow rate sensor FS h are arranged in the hydrogen supply pipe 5 3 and the pressure sensor PS a is discharged in the discharge pipe 6 2
  • the flow sensor FSa is disposed in the air supply pipe 61
  • the location of each sensor can be arbitrarily set as long as it can detect hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 and the pressure and flow rate of air.
  • the voltmeter 80 measures the open circuit voltage of the entire fuel cell stack 100, but the present invention is not limited to this.
  • the open circuit voltage may be measured for each fuel cell module 40. By so doing, power generation abnormality can be individually determined for the plurality of fuel cell modules 40.

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Abstract

　燃料電池システムの起動時に、燃料電池への反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）の供給が完了した後に、燃料電池の開回路電圧ＯＣＶを測定し、燃料電池の開回路電圧が所定電圧ＯＣＶｔｈ以上になったか否かに基づいて、燃料電池における発電異常の有無を判定する。燃料電池への反応ガスの供給が完了したか否かは、例えば、燃料電池への反応ガスの供給圧力が所定圧力以上になったか否かに基づいて判断する。これにより、燃料電池システムの起動時に、燃料電池における発電異常を正確に判定することができる。

Description

明 細 書 燃料電池システム、 および、 燃料電池システムの起動制御方法 技術分野
本発明は、 燃料電池システム、 および、 燃料電池システムの起動制御方法に関する ものである。 背景技術
燃料ガス （例えば、 水素） と酸化剤ガス （例えば、 酸素） との電気化学反応によつ て発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。 この燃料電池を備える燃料 電池システムでは、 一般に、 燃料電池システムの起動時に、 発電に供する反応ガス (燃料ガス、 および、 酸化剤ガス） を燃料電池に供給するとともに、 燃料電池の開回 路電圧を測定することによって、 燃料電池が負荷に接続可能な状態になったか否^、 すなわち、 燃料電池の開回路電圧が所定電圧まで上昇したか否かの判定が行われる 〈例えば、 特開 2 0 0 5 - 3 0 2 5 3 9号公報参照） 。
しかし、 上記特開 2 0 0 5 - 3 0 2 5 3 9号公報に記載された燃料電池システムで は、 燃料電池の開回路電圧の測定を行い、 燃料電池が負荷に接続可能な状態となった か否かの判定は行ってはいるものの、 燃料電池の開回路電圧の測定結果に基づいて、 燃料電池における発電異常を判定し、 確定することは行っていなかった。 このため、 燃料電池において発電異常があっても、 いわゆるフェールセーフモードの制御を行う ことができなかった。 発明の開示
本発明は、 上述の課題を解決するためになされたものであり、 燃料電池システムの 起動時に、 燃料電池における発電異常を正確に判定することを目的とする。
本発明は、 上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例と して実現することが可能である。
[適用例 1 ] 燃料電池システムであって、 燃料電池と、 前記燃料電池に、 発電に供 する反応ガスを供給する反応ガス供給部と、 前記燃料電池システムの起動時に、 前記 反応ガス供給部による前記燃料電池への前記反応ガスの供給が完了したか否かを判断 する反応ガス供給完了判断部と、 前記反応ガス供給完了判断部によって、 前記反応ガ スの供給が完了したと判断された後に、 前記燃料電池の開回路電压に基づいて、 前記 燃料電池における発電異常の有無を判定する発電異常判定部と、 を備える燃料電池シ ステ厶。
適用例 1の燃料電池システ厶では、 燃料電池への反応ガスの供給が完了した後に、 燃料電池の開回路電圧を測定し、 測定された開回路電圧に基づいて、 燃料電池におけ る発電異常の有無を判定する。 したがって、 燃料電池システムの起動時に、 燃料電池 における発電異常を正確に判定することができる。 また、 燃料電池への反応ガスの供 給が完了した後に、 燃料電池の開回路電圧を測定するので、 反応ガス供給部 （反応ガ スの供給系） に異常があるために、 燃料電池の開回路電圧が所定電圧に上昇しないの か、 燃料電池自体に異常があるために、 燃料電池の開回路電圧が所定電圧に上昇しな いのかを分離して、 燃料電池における発電異常を正確に判定することができる。 そし て、 燃料電池における発電異常が判定されたときには、 いわゆるフェールセーフモー ドの制御を行うようにすることができる。
[適用例 2 ] 適用例〗記載の燃料電池システ厶であって、 前記発電異常判定部は、 前記反応ガス供給完了判断部によつて、 前記燃料電池への前記反応ガスの供給が完了 したと判断された後、 第 1の所定時間以内に前記開回路電圧が所定電圧に到達しない 場合に、 前記燃料電池に発電異常があると判定する、 燃料電池システム。
適用例 2の燃料電池システムでは、 燃料電池への反応ガスの供給が完了したと判断 された後、 第 1の所定時間以内に燃料電池の開回路電圧が所定電圧に到達しない場合 に、 燃料電池に発電異常があると判定するので、 燃料電池における発電異常の誤判定 を抑制することができる。 なお、 第 1の所定時間は、 燃料電池において発電異常がな ければ燃料電池の開回路電圧が所定電圧に到達すると想定される範囲内で、 任意に設 定可能である。
[適用例 3 ] 適用例〗または 2記載の燃料電池システ厶であって、 さらに、 前記燃 料電池に供給される前記反応ガスの圧力を検出する圧力検出部を備え、 前記反応ガス 供給完了判断部は、 前記圧力検出部によって検出された前記反応ガスの圧力に基づい て、 前記燃料電池への前記反応ガスの供給が完了したか否かを判断する、 燃料電池シ ステム。
適用例 3の燃料電池システムでは、 燃料電池に供給される反応ガスの圧力を検出す ることによって、 反応ガス供給部 （反応ガスの供給系） に異常があるか否かを判定す るようにすることができる。
[適用例 4 ] 適用例 3記載の燃料電池システムであって、 前記反応ガス供給完了判 断部は、 さらに、 前記反応ガス供給部による前記燃料電池への前記反応ガスの供給開 始後、 第 2の所定時間以内に前記反応ガスの圧力が所定圧力に到達しない場合に、 前 記反応ガス供給部に異常があると判断する、 燃料電池システム。
適用例 4の燃料電池システムでは、 燃料電池への反応ガスの供給開始後、 第 2の所 定時間以内に反応ガスの圧力が所定圧力に到達しない場合に、 反応ガス供給部 （反応 ガスの供給系） に異常があると判断するので、 反応ガス供給部における異常の誤判定 を抑制することができる。 なお、 第 2の所定時間は、 反応ガス供給部に異常がなけれ ぱ反応ガスの圧力が所定圧力に到達すると想定される範囲内で、 任意に設定可能であ る。
[適用例 5 ] 適用例 Ίまたは 2記載の燃料電池システムであって、 さらに、 前記燃 料電池に供給される前記反応ガスの流量を検出する流量検出部を備え、 前記反応ガス 供給完了判断部は、 前記流量検出部によって検出された前記反応ガスの流量に基づい て、 前記燃料電池への前記反応ガスの供給が完了したか否かを判断する、 燃料電池シ ステ厶。
適用例 5の燃料電池システムでは、 燃料電池に供給される反応ガスの流量を検出す ることによって、 反応ガス供給部 （反応ガスの供給系） に異常があるか否かを判定す るようにすることができる。
[適用例 6 ] 適用例 5記載の燃料電池システムであって、 前記反応ガス供給完了判 断部は、 さらに、 前記反応ガス供給部による前記燃料電池への前記反応ガスの供給開 始後、 第 2の所定時間以内に前記反応ガスの流量が所定流量に到達しない場合に、 前 記反応ガス供給部に異常があると判断する、 燃料電池システム。
適用例 6の燃料電池システムでは、 燃料電池への反応ガスの供給開始後、 第 2の所 定時間以内に反応ガスの流量が所定流量に到達しない場合に、 反応ガス供給部 （反応 ガスの供給系） に異常があると判断するので、 反応ガス供給部における異常の誤判定 を抑制することができる。 なお， 第 2の所定時間は、 反応ガス供、給部に異常がなけれ ぱ反応ガスの流量が所定流量に到達すると想定される範囲内で、 任意に設定可能であ る。
[適用例 7〗 適用例 4または 6記載の燃料電池システ厶であって、 前記発電異常判 定部は、 前記反応ガス供給完了判断部によって、 前記反応ガス供給部に異常があると 判断された場合には、 前記燃料電池の発電異常の有無の判定を禁止する、 燃料電池シ ステム。
適用例 7の燃料電池システムでは、 反応ガス供給部 （反応ガスの供給系） に異常が あると判断された場合には、 燃料電池の発電異常の有無の判定を禁止し、 燃料電池の 開回路電圧の測定を行わないので、 速やかに、 いわゆるフェールセーフモードの制御 を行うようにすることができる。
本発明は、 上逑した種々の特徵一部を、 適宜、 組み合わせたりして構成することが できる。 また、 本発明は、 上述の燃料電池システムとしての構成の他、 燃料電池シス テムの起動制御方法の発明として構成することもできる。 また、 これらを実現するコ ンピュー夕プログラム、 およびそのプログラムを記録した記録媒体、 そのプログラム を含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能であ る。 なお、 それぞれの態様において、 先に示した種々の付加的要素を適用することが 可能である。
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等とし て構成する場合には、 燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成 するものとしてもよいし、 本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよ い。 また、 記録媒体としては、 フレキシブルディスクや C D— R O M、 D V D - R O M、 光磁気ディスク、 I Cカード、 R O Mカー卜リッジ、 パンチカード、 バーコード などの符号が印刷された印刷物、 コンピュータの内部記憶装置 （R A Mや R O Mなど のメモリ） および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用 できる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の一実施例としての燃料電池スタック〗 0 0を備える燃料電池シス テ厶 1 0 0 0の概略構成を示す説明図である。
図 2は、 第 1実施例の起動制御処理を実行するための制御ュニッ卜 9 0内の機能ブ ロックを示す説明図である。
図 3は、 第 1実施例の起動制御処理の流れを示すフローチヤ一卜である。
図 4は、 第 2実施例の起動制御処理を実行するための制御ユニット 9 O A内の機能 ブロックを示す説明図である。
図 5は、 第 2実施例の起動制御処理の流れを示すフローチヤ一卜である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について、 実施例に基づき以下の順序で説明する。
A . 第 Ί実施例：
A 1 . 燃料電池システムの構成：
図〗は、 本発明の一実施例としての燃料電池スタック〗 0 0を備える燃料電池シス テム Ί 0 0 0の概略構成を示す説明図である。
燃料電池スタック 1 0 0は、 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電 池モジュール 4 0を、 複数積層させたスタック構造を有している。 各燃料電池モジュ ール 4 0は、 概ね、 プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、 それぞれアノード、 および、 力ソードを接合した膜電極接合体を、 セパレー夕によって挟持した構成とな つている。 アノード、 および、 力ソードは、 それぞれ、 電解質膜の各表面に接合され た触媒層と、 この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。 本実施例で は、 電解質膜として、 ナフイオン （登録商標） 等の固体高分子膜を用いるものとした。 電解質膜として、 固体酸化物等、 他の電解質膜を用いるものとしてもよい。 各セパレ 一夕には、 アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、 力ソードに供給す べき酸化剤ガスとしての空気の流路や、 冷却水の流路が形成されている。 なお、 燃料 電池モジュール 4 0の積層数は、 燃料電池スタック 1 0 0に要求される出力に応じて 任意に設定可能である。
燃料電池スタック 1 0 0は、 一端から、 エンドプレー卜 1 0 a、 絶縁板 2 0 a、 集 電板 3 0 a、 複数の燃料電池モジュール 4 0、 集電板 3 0 b、 絶縁板 2 0 b、 エンド プレー卜 1 0 bの順に積層することによって構成されている。 これらには、 燃料電池 スタック 1 0 0内に、 水素や、 空気や、 冷却水を流すための供給口や、 排出口が設け られている。 また、 燃料電池スタック〗 0 0内部には、 水素や、 空気や、 冷却水を、 それぞれ各燃料電池モジュール 4 0に分配して供給するための供給マ二ホールド （水 素供給マ二ホールド、 空気供給マ二ホールド、 冷却水供給マ二ホールド） や、 各燃料 電池モジュール 4 0のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフ ガスおよび力ソードオフガスや、 冷却水を集合させて燃料電池スタック 1 0 0の外部 に排出するための排出マ二ホールド （アノードオフガス排出マ二ホールド、 力ソード オフガス排出マ二ホールド、 冷却水排出マ二ホールド） が形成されている。
ェンドブレー卜 1 0 a， 1 0 bは、 剛性を確保するため、 鐧等の金属によって形成 されている。 絶縁板 2 0 a , 2 O bは、 ゴムや、 樹脂等の絶縁性部材によって形成さ れている。 集電板 3 0 a， 3 O bは、 緻密質カーボンや、 銅板などのガス不透過な導 電性部材によって形成されている。 集電板 3 0 a， 3 O bには、 それぞれ図示しない 出力端子が設けられており、 燃料電池スタック 1 0 0で発電した電力を出力可能とな つている。 また、 集電板 3 0 a , 3 O bには、 燃料電池スタック 1 0 0の開回路電圧 を測定するための電圧計 8 0が接続されている。
なお、 図示は省略しているが、 燃料電池スタック 1 0 0は、 スタック構造のいずれ かの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、 ガスの漏洩 を抑制したりするために、 スタック構造の積層方向に、 所定の締結荷重が加えられた 状態で、 $帝結部材によって締結されている。
燃料電池スタック 1 0 0のアノードには、 水素供給配管 5 3を介して、 高圧水素を 貯蔵した水素タンク 5 0から、 燃料ガスとしての水素が供給される。 水素タンク 5 0 の代わりに、 アルコール、 炭化水素、 アルデヒドなどを原料とする改質反応によって 水素リッチなガスを生成し、 アノードに供給するものとしてもよい。 なお、 水素供給 配管 5 3には、 燃料電池スタック 1 0 0に供給される水素の圧力を検出する圧力セン サ P S hと、 燃料電池スタック 1 0 0に供給される水素の流量を検出する流量センサ F S hとか'配設されている。
水素タンク 5 0に貯蔵された高圧水素は、 水素タンク 5 0の出口に設けられたシャ ットバルブ 5 1、 レギユレ一夕 5 2によって圧力、 および、 供給量が調整されて、 水 素供給マ二ホールドを介して、 各燃料電池モジュール 4 0のアノードに供給される。 各燃料電池モジュール 4 0から排出されるアノードオフガスは、 アノードオフガス排 出マ二ホールドに接続された排出配管 5 6を介して、 燃料電池スタック 1 0 0の外部 に排出することができる。 なお、 アノードオフガスを燃料電池スタック 1 0 0の外部 に排出する際には、 アノードオフガスに含まれる水素は、 図示しない希釈器等によつ て処理される。
また、 水素供給配管 5 3、 および、 排出配管 5 6には、 アノードオフガスを水素供 給配管 5 3に再循環させるための循環配管 5 4が接続されている。 そして、 排出配管 5 6の循環配管 5 4との接続部の下流側には、 排気バルブ 5 7が配設されている。 ま た、 循環配管 5 4には、 ポンプ 5 5が配設されている。 ポンプ 5 5、 および、 排気バ ルプ 5 7の駆動を制御することによって、 アノードオフガスを外部に排出するか、 水 素供給配管 5 3に循環させるかを適宜切り換えることができる。 アノードオフガスを 水素供給配管 5 3に再循環させることによって、 アノードオフガスに含まれる未消費 の水素を効率よく利用することができる。
燃料電池スタック 1 0 0の力ソードには、 空気供給配管 6 1を介して、 エアコンプ レッサ 6 0によって圧縮された圧縮空気が、 酸素を含有した酸化剤ガスとして供給さ れる。 そして、 この圧縮空気は、 空気供給配管 6 1に接続された空気供給マ二ホール ドを介して、 各燃料電池モジュール 4 0の力ソードに供給される。 各燃料電池モジュ ール 4 0のカソードから排出されるカソードオフガスは、 カソード才フガス排出マ二 ホールドに接続された排出配管 6 2を介して、 燃料電池スタック 1 0 0の外部に排出 される。 排出配管 6 2からは、 力ソードオフガスとともに、 燃料電池スタック 1 0 0 のカソ一ドで、 水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。 なお、 空気供給配管 6 1には、 燃料電池スタック 1 0 0に供給される空気の流量を検 出する流量センサ F S aが配設されている。 また、 排出配管 6 2には、 燃料電池スタ ック 1 0 0に供給される空気の圧力を間接的に検出する圧力センサ P S aが配設され ている。 燃料電池スタック 1 00は、 上述した電気化学反応によって発熱するため、 燃料電 池スタック 1 00には、 燃料電池スタック 1 00を冷却するための冷却水も供給され る。 この冷却水は、 ポンプ 70によって、 配管 72を流れ、 ラジェ一夕 71によって 冷却されて、 燃料電池スタック 1 00に供給される。
燃料電池システム〗 000の運転は、 制御ュニッ卜 90によって制御される。 制御 ユニット 90は、 内部に CPU、 RAM, ROM, 夕イマなどを備えるマイクロコン ピュー夕として構成されており、 ROMに記憶されたプログラムに従って、 例えば、 各種バルブや、 ポンプの駆動等、 システムの運転を制御する。 また、 制御ユニット 9 0は、 燃料電池システム 1 000の起動時に、 圧力センサ PS h， PS a、 流量セン サ FS h, FS a、 電圧計 80の出力に基づいて、 後述する起動制御処理を実行する。 A2. 制御ュニッ卜：
図 2は、 第 1実施例の起動制御処理を実行するための制御ュニッ卜 90内の機能ブ ロックを示す説明図である。 図示するように、 制御ユニット 90は、 反応ガス供給完 了判断部 92と、 発電異常判断部 94と、 タイマ 96と、 を備えている。
反応ガス供給完了判断部 92は、 圧力センサ PS h、 および、 圧力センサ PS aに よって、 それぞれ検出された燃料電池スタック 1 00に供給される水素の圧力、 およ び、 空気の圧力が、 それぞれ、 所定圧力に到達したか否かに基づいて、 燃料電池スタ ック 1 00への水素、 および、 空気の供給が完了したか否かを判断する。
発電異常判断部 94は、 電圧計 80によって測定された燃料電池スタック 1 00の 開回路電圧に基づいて、 燃料電池スタック Ί 00における発電異常の有無を判定する。 夕イマ 96は、 後述するように、 燃料電池スタック 1 00への反応ガス （水素、 お よび、 空気） の供給開始からの経過時間や、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの 供給完了からの経過時間を計測する。 以下、 第 1実施例の起動制御処理について、 詳 細に説明する。
A3. 起動制御処理： 図 3は、 第 1実施例の燃料電池システム 1 000の起動制御処理の流れを示すフロ 一チャートである。 この処理は、 燃料電池システム 1 000の起動時に、 制御ュニッ 卜 90の C P Uが実行する処理である。
燃料電池システム〗 000の起動指示が入力されると、 まず、 C PUは、 各種バル ブゃ、 ポンプを制御して、 燃料電池スタック 1 00への反応ガス （水素、 および、 空 気） の供給を開始する （ステップ S 1 00) 。 このとき、 CPUは、 タイマ 96によ つて、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給開始からの経過時間の計測を開女台 する。
そして、 C PUは、 圧力センサ PS h， PS aによって、 燃料電池スタック 1 00 に供給される水素の圧力、 および、 空気の圧力をそれぞれ検出し （ステップ S 1 1 0) 、 反応ガス供給完了判断部 92によって、 これら水素の圧力、 および、 空気の圧 力が、 それぞれ、 所定圧力に到達したか否かを判断する （ステップ S 1 20) 。 なお、 水素についての所定圧力、 および、 空気についての所定圧力は、 予め個別に設定され ている。
そして、 燃料電池スタック〗 00に供給される水素の圧力、 および、 空気の圧力の 少なくとも一方が、 所定圧力に到達していない場合には （ステップ S 1 20 : NO) 、 C PUは、 反応ガス供給完了判断部 92によって、 タイマ 96を参照し、 燃料電池ス タック〗 00への反応ガスの供給開始から、 所定時間 T 2が経過したか否かを判断す る （ステップ S 1 30) 。 所定時間 T 2は、 反応ガスの供給系に異常がなければ反応 ガスの圧力が所定圧力に到達すると想定される範囲内で、 任意に設定可能である。 こ の所定時間 T 2は、 本発明における第 2の所定時間に相当する。 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給開始から、 所定時間 T 2が経過していない場合には （ステツ プ S 7 30 ： NO) 、 ステップ S 1 1 0に戻る。
一方、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給開始から、 所定時間 T 2が経過 した場合には （ステップ S 1 30 ： YES) , CPUは、 反応ガスの供給系に異常が ある、 すなわち、 水素の圧力が所定圧力に到達しない場合には、 水素の供給系に異常 があり、 空気の圧力が所定圧力に到達しない場合には、 空気の供給系に異常があるも のと判断して、 燃料電池スタック 1 00への負荷の接続を禁止し （ステップ S 1 3 2) 、 各種バルブや、 ポンプを制御して、 反応ガスの供給を停止する （ステップ S 1 40) 。 この場合、 C PUは、 後述する燃料電池スタック〗 00の発電異常の有無の 判定を禁止する。 そして、 CPUは、 起動制御処理を終了する。
ステップ S 1 20において、 燃料電池スタック 1 00に供給される水素の圧力、 お よび、 空気の圧力が、 それぞれ所定圧力に到達した場合には （ステップ S 1 20 ： Y ES) 、 C PUは、 反応ガス供給完了判断部 92によって、 燃料電池スタック 1 00 への反応ガスの供給が完了したものと判断し、 電圧計 80によって燃料電池スタック 1 00の開回路電圧 OC Vを測定し （ステップ S 1 50) 、 取得する。 このとき、 C PUは、 タイマ 96をリセッ卜し、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給完了 からの経過時間の計測を開始する。
そして、 C PUは、 発電異常判断部 94によって、 燃料電池スタック 1 00の開回 路電圧 OCVが、 所定電圧 OCV t h以上になったか否かを判断する （ステップ
60) 。 開回路電圧 OCVが、 所定電圧 OC V t h以上になった場合には （ステップ S 1 60 ： Y E S) C PUは、 燃料電池スタック 1 00における発電異常はないも のと判断して、 燃料電池スタック 1 00への負荷の接続を許可する （ステップ S 1 6 2) 。 そして、 C PUは、 起動制御処理を終了する。
ステップ S 1 60において、 燃料電池スタック Ί 00の開回路電圧 OC Vが、 所定 電圧 OCV t h未満である場合には （ステップ S 1 60 ： NO) 、 C PUは、 発電異 常判断部 94によって、 タイマ 96を参照し、 燃料電池スタック 1 00への反応ガス の供給完了から、 所定時間丁 1が経過したか否かを判断する （ステップ S 1 70) 。 所定時間 T 1は、 燃料電池スタック 1 00において発電異常がなければ燃料電池ス夕 ック 1 00の開回路電圧 OCVが所定電圧 OC V t hに到達すると想定される範囲内 で、 任意に設定可能である。 この所定時間 T 1は、 本発明における第 1の所定時間に 相当する。 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給完了から、 所定時間 T 1が経 過していない場合には （ステップ S 1 70 ： NO) 、 ステップ S 1 50に戻る。
—方、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給完了から、 所定時間 T 1が経過 した場合には （ステップ S 1 70) 、 C PUは、 燃料電池スタック 1 00において発 電異常があるものと判断して、 燃料電池スタック 1 00への負荷の接続を禁止し （ス テツプ S 1 72) 、 各種バルブや、 ポンプを制御して、 反応ガスの供給を停止する (ステップ S 1 40) 。 そして、 CPUは、 起動制御処理を終了する。
以上説明した第 1実施例の燃料電池システム 1 000によれば、 燃料電池システム 1 000の起動制御処理において、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給が完 了した後に、 燃料電池スタック 1 00の開回路電圧 OCVを測定し、 測定された開回 路電圧 OCVに基づいて、 燃料電池スタック 1 00における発電異常の有無を判定す る。 したがって、 燃料電池システ厶〗 000の起動時に、 燃料電池スタック 1 00に おける発電異常を正確に判定することができる。
また、 燃料電池スタック 1 00への反応ガスの供給が完了した後に、 燃料電池スタ ック 1 00の開回路電圧 OC Vを測定するので、 反応ガスの供給系に異常があるため に、 燃料電池スタック 1 00の開回路電圧 OC Vが所定電圧 OC V t hまで上昇しな いのか、 燃料電池スタック 1 00自体に異常があるために、 燃料電池スタック 1 00 の開回路電圧 OCVが所定電圧 OC V t hに上昇しないのかを分離して、 燃料電池ス タック 1 00における発電異常を正確に判定することができる。 そして、 燃料電池ス タック 1 00における発電異常が判定されたときには、 いわゆるフェールセーフモー ドの制御 （本実施例では、 反応ガスの供給停止） を行うようにすることができる。 また、 上述した第 1実施例の起動制御処理では、 燃料電池スタック 1 00への反応 ガスの供給が完了したと判断された後、 所定時間 T 1以内に燃料電池スタック 1 00 の開回路電圧 OCVが所定電圧 OCV t hに到達しない場合に、 燃料電池スタック 1 0 0に発電異常があると判定するので、 燃料電池スタック 1 0 0における発電異常の 誤判定を抑制することができる。
また、 上述した第 1実施例の起動制御処理では、 燃料電池スタック 1 0 0への反応 ガスの供給開始後、 所定時間 T 2以内に反応ガスの圧力が、 それぞれ所定圧力に到達 しない場合に、 反応ガスの供給系に異常があると判断するので、 反応ガスの供給系に おける異常の誤判定を抑制することができる。
また、 上述した第〗実施例の起動制御処理では、 反応ガスの供給系に異常があると 判断された場合には、 燃料電池スタック 1 0 0の発電異常の有無の判定を禁止し、 燃 料電池スタック 1 0 0の開回路電圧 O C Vの測定を行わないので、 速やかに、 反応ガ スの供給を停止することができる。
B . 第 2実施例：
B 1 . 燃料電池システ厶の構成：
第 2実施例の燃料電池システムの構成は、 第〗実施例の燃料電池システム 1 0 0 0 の構成とほぼ同じである。 したがって、 第 2実施例の燃料電池システムの構成につい ての説明は省略する。 ただし、 第 2実施例の燃料電池システ厶では、 起動制御処理の 一部が、 第 Ί実施例における起動制御処理と異なっている。 以下、 第 2実施例の制御 ユニット、 および、 起動制御処理について説明する。
B 2 . 制御ュニッ卜：
図 4は、 第 2実施例の起動制御処理を実行するための制御ュニッ卜 9 0 A内の機能 プロックを示す説明図である。 図示するように、 制御ユニット 9 O Aは、 反応ガス供 給完了判断部 9 2 Aと、 発電異常判断部 9 4と、 タイマ 9 6と、 を備えている。
反応ガス供給完了判断部 9 2 Aは、 流量センサ F S h、 および、 流量センサ F S a によって、 それぞれ検出された燃料電池スタック 1 0 0に供給される水素の流量、 お よび、 空気の流量が、 それぞれ、 所定流量に到達したか否かに基づいて、 燃料電池ス タック 1 0 0への水素、 および、 空気の供給が完了したか否かを判断する。 なお、 発 電異常判断部 94、 および、 タイマ 96の機能は、 第 1実施例と同じである。
B 3. 起動制御処理：
図 5は、 第 2実施例の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。 この処理 は、 燃料電池システム 1 000の起動時に、 制御ュニッ卜 90の C P Uが実行する処 理である。
図 3と図 5との比較から分かるように、 第 2実施例の起動制御処理において、 ステ ップ S 1 00， S 1 30〜S〗 80の処理は、 第 1実施例の起動制御処理と同じであ る。 したがって、 これらのステップについての説明は省略する。
第 2実施例の起動制御処理では、 ステップ S 1 00の後、 CPUは、 流量センサ F S , FS aによって、 燃料電池スタック 1 00に供給される水素の流量、 および、 空気の流量をそれぞれ検出し （ステップ S I 1 OA) 、 反応ガス供給完了判断部 92 Aによって、 これら水素の流量、 および、 空気の流量が、 それぞれ、 所定流量に到達 したか否かを判断する （ステップ S〗 20 A) 。 なお、 水素についての所定流量、 お よび、 空気についての所定流量は、 予め個別に設定されている。
そして、 燃料電池スタック〗 00に供給される水素の流量、 および、 空気の流量の 少なくとも一方が、 所定流量に到達していない場合には （ステップ S 1 20 A N 0) 、 C PUは、 ステップ S I 30に進む。 一方、 燃料電池スタック 1 00に供給さ れる水素の流量、 および、 空気の流量が、 それぞれ所定圧力に到達した場合には （ス テツプ S 1 20 A： YES) 、 CPUは、 ステップ S 1 50に進む。
以上説明した第 2実施例の燃料電池システ厶によっても、 第 1実施例の燃料電池シ ステ厶 1 000と同様に、 燃料電池システムの起動制御処理において、 燃料電池スタ ック 1 00への反応ガスの供給が完了した後に、 燃料電池スタック 1 00の開回路電 圧 OCVを測定し、 測定された開回路電圧 OCVに基づいて、 燃料電池スタック 1 0 0における発電異常の有無を判定する。 したがって、 燃料電池システムの起動時に、 燃料電池ス夕ック 1 00における発電異常を正確に判定することができる。 また、 燃料電池スタック 1 0 0への反応ガスの供給が完了した後に、 燃料電池スタ ック 1 0 0の開回路電圧 O C Vを測定するので、 反応ガスの供給系に異常があるため に、 燃料電池スタック 1 0 0の開回路電压 O C Vが所定電圧 O C V t hまで上昇しな いのか、 燃料電池スタック 1 0 0自体に異常があるために、 燃料電池スタック 1 0 0 の開回路電圧 O C Vが所定電圧 O C V t hに上昇しないのかを分離して、 燃料電池ス タック 1 0 0における発電異常を正確に判定することができる。 そして、 燃料電池ス タック 1 0 0における発電異常が判定されたときには、 いわゆるフェールセーフモー ドの制御 （本実施例では、 反応ガスの供給停止） を行うようにすることができる。 また、 第 1実施例の起動制御処理と同様に、 上述した第 2実施例の起動制御処理で は、 燃料電池スタック 1 0 0への反応ガスの供給が完了したと判断された後、 所定時 間丁 Ί以内に燃料電池ス夕ック 1 0 0の開回路電圧 0 C Vが所定電圧 0 C V t hに到 達しない場合に、 燃料電池スタック 1 0 0に発電異常があると判定するので、 燃料電 池スタック〗 0 0における発電異常の誤判定を抑制することができる。
また、 上述した第 2実施例の起動制御処理では、 燃料電池スタック 1 0 0への反応 ガスの供給開始後、 所定時間 T 2以内に反応ガスの流量が、 それぞれ所定圧力に到達 しない場合に、 反応ガスの供給系に異常があると判断するので、 反応ガスの供給系に おける異常の誤判定を抑制することができる。
また、 上述した第 2実施例の起動制御処理では、 反応ガスの供給系に異常があると 判断された場合には、 燃料電池スタック 1 0 0の発電異常の有無の判定を禁止し、 燃 料電池スタック 1 0 0の開回路電圧 0 C Vの測定を行わないので、 速やかに、 反応ガ スの供給を停止することができる。
c 変形例 :
以上、 本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、 本発明はこのような実 施の形態になんら限定されるものではなく、 その要旨を逸脱しない範囲内において 種々なる態様での実施が可能である。 例えば、 以下のような変形が可能である。 C 1 . 変形例 1 ：
上記第 1実施例では、 起動制御処理において、 水素、 および、 空気の供給圧力に基 づいて、 燃料電池スタック 1 0 0への反応ガスの供給完了の判断を行い、 また、 上記 第 2実施例では、 起動制御処理において、 水素、 および、 空気の供給流量に基づいて、 燃料電池スタック〗 0 0への反応ガスの供給完了の判断を行うものとしたが、 本発明 は、 これに限られず、 これらを適宜組み合わせるようにしてもよい。
C 2 . 変形例 2 ：
上記第 1実施例では、 図 3に示した起動制御処理のステップ 1 2 0において、 燃料 電池スタック〗 0 0に供給される水素の圧力、 および、 空気の圧力が、 それぞれ所定 圧力に到達した場合に、 制御ユニット 9 0の C P Uは、 タイマ 9 6をリセットするも のとしたが、 本発明は、 これに限られない。 すなわち、 起動制御処理のステップ 1 2 0において、 燃料電池スタック 1 0 0に供給される水素の圧力、 および、 空気の圧力 が、 それぞれ所定圧力に到達した場合に、 タイマ 9 6をリセットせずに、 燃料電池ス タック 0 0への反応ガスの供給開始時からの経過時間を継続して計測し、 ステップ S〗 7 0において、 燃料電池スタック〗 0 0への反応ガスの供給開始からの経過時間 に基づいて、 ステップ S 1 5 0に戻るか、 ステップ S 1 7 2に進むかを判断するよう にしてもよい。
同様に、 上記第 2実施例では、 図 5に示した起動制御処理のステップ 1 2 O Aにお いて、 燃料電池スタック 1 0 0に供給される水素の流量、 および、 空気の流量が、 そ れぞれ所定流量に到達した場合に、 制御ュニッ卜 9 0 Aの C P Uは、 タイマ 9 6をリ セットするものとしたが、 本発明は、 これに限られない。 すなわち、 起動制御処理の ステップ 1 2 O Aにおいて、 燃料電池スタック〗 0 0に供給される水素の流量、 およ び、 空気の流量が、 それぞれ所定圧力に到達した場合に、 タイマ 9 6をリセットせず に、 燃料電池スタック 1 0 0への反応ガスの供給開始からの経過時間を継続して計測 し、 ステップ S 1 7 0において、 燃料電池スタック 1 0 0への反応ガスの供給開始時 からの経過時間に基づいて、 ステップ S 1 5 0に戻るか、 ステップ S 1 7 2に進むか を判断するようにしてもよい。
C 3 , 変形例 3 ：
上記実施例では、 図〗に示した燃料電池システム 1 0 0 0において、 圧力センサ P S h、 および、 流量センサ F S hを水素供給配管 5 3に配設し、 圧力センサ P S aを 排出配管 6 2に配設し、 流量センサ F S aを空気供給配管 6 1に配設するものとした が、 本発明は、 これに限られない。 各センサの配設部位は、 燃料電池スタック 1 0 0 に供給される水素、 および、 空気の圧力や流量を検出可能な部位であれば、 任意に設 定可能である。
C 4 . 変形例 4 ：
上記実施例では、 電圧計 8 0は、 燃料電池スタック 1 0 0全体の開回路電圧を測定 するものとしたが、 本発明は、 これに限られない。 例えば、 燃料電池モジュール 4 0 ごとに開回路電圧を測定するようにしてもよい。 こうすることによって、 複数の燃料 電池モジュール 4 0について、 発電異常を個別に判定することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 燃料電池システ厶であって、
燃料電池と、
前記燃料電池に、 発電に供する反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池システムの起動時に、 前記反応ガス供給部による前記燃料電池への前 記反応ガスの供給が完了したか否かを判断する反応ガス供給完了判断部と、
前記反応ガス供給完了判断部によって、 前記反応ガスの供給が完了したと判断され た後に、 前記燃料電池の開回路電圧に基づいて、 前記燃料電池における発電異常の有 無を判定する発電異常判定部と、
を備える燃料電池システム。
2 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池システムであって、
前記発電異常判定部は、 前記反応ガス供給完了判断部によって、 前記燃料電池への 前記反応ガスの供給が完了したと判断された後、 第 1の所定時間以内に前記開回路電 圧が所定電圧に到達しない場合に、 前記燃料電池に発電異常があると判定する、 燃料電池システム。
3 . 請求の範囲第 1項または第 2項に記載の燃料電池システムであって、 さらに、 前記燃料電池に供給される前記反応ガスの圧力を検出する圧力検出部を備 え、
前記反応ガス供給完了判断部は、 前記圧力検出部によって検出された前記反応ガス の圧力に基づいて、 前記燃料電池への前記反応ガスの供給が完了したか否かを判断す る、
燃料電池システム。
4 . 請求の範囲第 3項に記載の燃料電池システ厶であって、
前記反応ガス供給完了判断部は、 さらに、 前記反応ガス供給部による前記燃料電池 への前記反応ガスの供給開始後、 第 2の所定時間以内に前記反応ガスの圧力が所定圧 力に到達しない場合に、 前記反応ガス供給部に異常があると判断する、
燃料電池システム。
5 . 請求の範囲第 1項または第 2項に記載の燃料電池システムであって、 さらに、 前記燃料電池に供給される前記反応ガスの流量を検出する流量検出部を備 え、
前記反応ガス供給完了判断部は、 前記流量検出部によって検出された前記反応ガス の流量に基づいて、 前記燃料電池への前記反応ガスの供給が完了したか否かを判断す る、
燃料電池システム。
6 . 請求の範囲第 5項に記載の燃料電池システ厶であつて、
前記反応ガス供給完了判断部は、 さらに、 前記反応ガス供給部による前記燃料電池 への前記反応ガスの供給開始後、 第 2の所定時間以内に前記反応ガスの流量が所定流 量に到達しない場合に、 前記反応ガス供給部に異常があると判断する、
燃料電池システム。
7 . 請求の範囲第 4項または第 6項に記載の燃料電池システ厶であつて、 前記発電異常判定部は、 前記反応ガス供給完了判断部によって、 前記反応ガス供給 部に異常があると判断された場合には、 前記燃料電池の発電異常の有無の判定を禁止 する、 燃料電池システ厶。
8 . 燃料電池を備える燃料電池システムの起動制御方法であって、
前記燃料電池に、 発電に供する反応ガスを供給する反応ガス供給工程と、 前記燃料電池システムの起動時に、 前記反応ガス供給工程による前記燃料電池への 前記反応ガスの供給が完了したか否かを判断する反応ガス供給完了判断工程と、 前記反応ガス供給完了判断工程によって、 前記反応ガスの供給が完了したと判断さ れた後に、 前記燃料電池の開回路電圧に基づいて、 前記燃料電池における発電異常の 有無を判定する発電異常判定工程と、
を備える燃料電池システムの起動制御方法。
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