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JP7139754B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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JP7139754B2 JP2018140485A JP2018140485A JP7139754B2 JP 7139754 B2 JP7139754 B2 JP 7139754B2 JP 2018140485 A JP2018140485 A JP 2018140485A JP 2018140485 A JP2018140485 A JP 2018140485A JP 7139754 B2 JP7139754 B2 JP 7139754B2
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Description

本開示は、燃料電池システムの技術に関する。
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる窒素ガスなどの不純物ガスや、燃料電池の発電によって生じた液水を外部へ排出するための排気排水弁が配置される技術が知られている（特許文献１）。
特開２００８－５９９７４号公報
従来の技術では、排気排水弁の温度が解凍温度以上である場合に、排気排水弁が正常に開弁動作可能であると判断されている。しかしながら、排気排水弁の温度が解凍温度以上であった場合でも、排気排水弁が正常に開弁動作できない場合が生じ得る。例えば、埃などの異物が排気排水弁に噛み込んでいる場合には、排気排水弁の温度が解凍温度以上であっても、正常な開弁状態にならない場合が生じ得る。また例えば、異物が氷の場合でも、排気排水弁の温度が解凍温度以上であっても、完全には氷が溶けきらずに正常な開弁動作ができない場合がある。従って、排気排水弁の温度による判定では、排気排水弁が正常に開弁するか否かの判定を正しく行えないという問題がある。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系であって、前記燃料電池に向かうアノードガスが流通するアノードガス供給路を有するアノードガス供給系と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記アノードガス供給路に循環させるアノードガス循環系であって、前記アノードガス供給路へ向かう前記アノードオフガスが流通するアノードガス循環路と、前記アノードガス循環路に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離器と、前記アノードガス循環路内の前記アノードオフガスを前記アノードガス供給路に向かって循環させる循環ポンプと、を有するアノードガス循環系と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出するカソードガス排出路と、を有するカソードガス給排系と、前記気液分離器に接続された排気排水路と、前記排気排水路を開閉するための排気排水弁と、前記排気排水弁から排出される前記アノードオフガスの排気流量を取得する流量取得部と、前記排気排水弁が正常に開弁するか否かの正常異常判定を含む動作判定処理を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、前記排気流量が、予め定めた正常基準値以上である場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していると判定し、前記排気流量が前記正常基準値よりも低い場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定することで前記正常異常判定を実行し、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池システムの環境温度を取得する温度取得部を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動指示を受けた場合において、前記環境温度が氷点下である場合に、前記循環ポンプの動作を停止し、前記アノードガス供給系を制御して前記燃料電池に前記アノードガスを供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行うことで氷点下始動処理を実行し、前記氷点下始動処理において前記排気排水弁の開弁指示を行っている状態において、前記正常異常判定が実行される、前記燃料電池システムは、さらに、前記気液分離器に貯留された液水の量を取得する貯水量取得部を備え、前記制御部は、前記排気排水弁が正常に開弁している燃料電池システムの通常運転状態において、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が、予め定めた第１液水量以上となった場合に、前記アノードガス供給系を制御して前記アノードガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行う通常排気処理を実行し、前記動作判定処理において前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力は、前記通常排気処理において前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力よりも高い、燃料電池システム。この形態によれば、排気流量を用いて排気排水弁の正常異常判定を実行することで、排気排水弁が正常に開弁するか否かの正常異常判定を正しく行うことができる。例えば、凍結以外に起因して排気排水弁が正常に動作していない場合の判定を正しく行うことができる。また例えば、排気流量を用いて正常異常判定を行うことで、凍結に起因して排気排水弁が正常に開弁していない場合にも、正常異常判定を正しく行うことができる。またこの形態によれば、氷点化始動処理を利用して、正常異常判定を実行できる。またこの形態によれば、供給されるアノードガスの圧力が高い方が、アノードオフガスの排気流量も高くなるため、正常異常判定にかかる時間を短縮できる。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系であって、前記燃料電池に向かうアノードガスが流通するアノードガス供給路を有するアノードガス供給系と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記アノードガス供給路に循環させるアノードガス循環系であって、前記アノードガス供給路へ向かう前記アノードオフガスが流通するアノードガス循環路と、前記アノードガス循環路に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離器と、を有するアノードガス循環系と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出するカソードガス排出路と、を有するカソードガス給排系と、前記気液分離器に接続された排気排水路と、前記排気排水路を開閉するための排気排水弁と、前記排気排水弁から排出される前記アノードオフガスの排気流量を取得する流量取得部と、前記排気排水弁が正常に開弁するか否かの正常異常判定を含む動作判定処理を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、前記排気流量が、予め定めた正常基準値以上である場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していると判定し、前記排気流量が前記正常基準値よりも低い場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定することで前記正常異常判定を実行する。この形態によれば、排気流量を用いて排気排水弁の正常異常判定を実行することで、排気排水弁が正常に開弁するか否かの正常異常判定を正しく行うことができる。例えば、凍結以外に起因して排気排水弁が正常に動作していない場合の判定を正しく行うことができる。また例えば、排気流量を用いて正常異常判定を行うことで、凍結に起因して排気排水弁が正常に開弁していない場合にも、正常異常判定を正しく行うことができる。
（２）上記形態であって、さらに、前記燃料電池システムの環境温度を取得する温度取得部を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動指示を受けた場合において、前記環境温度が氷点下である場合に、前記アノードガス供給系を制御して前記燃料電池に前記アノードガスを供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行うことで氷点下始動処理を実行し、前記氷点下始動処理において前記排気排水弁の開弁指示を行っている状態において、前記正常異常判定が実行されてもよい。この形態によれば、氷点化始動処理を利用して、正常異常判定を実行できる。
（３）上記形態であって、さらに、前記気液分離器に貯留された液水の量を取得する貯水量取得部を備え、前記制御部は、前記排気排水弁が正常に開弁している燃料電池システムの通常運転状態において、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が、予め定めた第１液水量以上となった場合に、前記アノードガス供給系を制御して前記アノードガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行う通常排気処理を実行し、前記動作判定処理において前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力は、前記通常排気処理において前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力よりも高くてもよい。この形態によれば、供給されるアノードガスの圧力が高い方が、アノードオフガスの排気流量も高くなるため、正常異常判定にかかる時間を短縮できる。
（４）上記形態であって、前記カソードガス給排系は、さらに、前記カソードガス供給路に設けられたコンプレッサを有し、前記排気排水路は、前記カソードガス排出路に接続され、前記制御部は、前記コンプレッサの動作を制御して、前記動作判定処理において前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量を、前記通常排気処理において前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量よりも大きくしてもよい。この形態によれば、排気排水弁から排出されるアノードオフガスの量が増えた場合でも、カソードガスによってアノードオフガスを確実に希釈できる。
（５）上記形態であって、前記制御部は、前記動作判定処理において前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定した後に、前記燃料電池を昇温させる暖機運転を実行し、前記暖機運転の実行中と実行後の少なくともいずれか一方において、前記排気排水弁の動作が正常に復帰したか否かの復帰有無判定を実行し、前記復帰有無判定は、前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、前記排気流量が予め定めた復帰基準値以上である場合には、前記排気排水弁の動作が正常に復帰したと判定し、前記排気流量が前記復帰基準値よりも低い場合には、前記排気排水弁の動作が正常に復帰していないと判定することで実行されてもよい。この形態によれば、暖機運転によって燃料電池が昇温することで、燃料電池からの熱を利用して排気排水弁を加熱できる。これにより、排気排水弁が正常に動作していない原因が凍結である場合には、排気排水弁の凍結を解凍できるので、排気排水弁の動作を正常に復帰させることができる。また、復帰有無判定によって、排気排水弁の動作が復帰したか否かを確認できる。
（６）上記形態であって、さらに、前記気液分離器に貯留された液水の量を取得する貯水量取得部を備え、前記制御部は、前記排気排水弁が正常に開弁している燃料電池システムの通常運転状態では、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が第１液水量以上になった場合に、前記制御部によって前記排気排水弁に対して開弁指示が行われる通常排気処理が実行され、前記排気排水弁の動作が正常に復帰する前の状態における前記燃料電池システムの復帰前状態では、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が前記第１液水量よりも少ない第２液水量以上になった場合に、前記制御部によって前記排気排水弁に対して開弁指示が行われる復帰排気処理が実行され、前記制御部は、復帰排気処理によって前記排気排水弁に対して開弁指示を行っているときに前記復帰有無判定を実行してもよい。この形態によれば、制御部は第１液水量よりも少ない第２液水量以上になった場合に、復帰排気処理を実行する。これにより、復帰排気処理の実行回数を多くできるので、排気排水弁に対して開弁指示を行う回数を多くできる。よって、復帰有無判定の頻度を多くできるので、復帰後処理の遅延を防止できる。
（７）上記形態であって、さらに、前記アノードガス供給路内の圧力を計測する圧力センサを有し、前記流量取得部は、前記圧力センサによって計測される圧力の変化を用いて前記排気流量を算出し、前記制御部は、前記復帰有無判定を行う場合には、前記通常排気処理の実行中よりも前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力を高くする第１事前処理と、前記通常排気処理の実行中よりも前記アノードガス循環路から前記アノードガス供給路に循環する前記アノードオフガスの流量を低くする第２事前処理と、前記通常排気処理の実行中よりも前記燃料電池の電流値を小さくする第３事前処理と、の少なくともいずれか一つの処理を実行してもよい。この形態によれば第１事前処理から第３事前処理の少なくともいずれか一つの処理を実行することで、排気排水弁から排出されるアノードオフガス以外の要素によって、圧力センサによって計測される圧力が変動する可能性を低減できる。これにより、排気流量の算出精度をより向上できるので、復帰有無判定をより正確に実行できる。
（８）上記形態であって、前記カソードガス給排系は、前記カソードガスを前記カソードガス排出路に向けて送り出すコンプレッサを有し、前記排気排水路は、前記カソードガス排出路に接続され、前記制御部は、前記コンプレッサの動作を制御して、前記復帰有無判定のときに前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量を、前記通常排気処理において前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量よりも大きくしてもよい。この形態によれば、排気排水弁から排出されるアノードオフガスの量が増えた場合でも、カソードガスによってアノードオフガスを確実に希釈できる。
（９）上記形態であって、前記制御部は、前記正常異常判定において前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定してから前記復帰有無判定の実行までに、前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、予め定めた期間における前記排気排水路から排出された前記アノードオフガスの積算量が、予め定めた基準積算量以上である場合には、前記排気流量が前記正常基準値よりも低い場合であっても前記排気排水弁が正常に開弁していると判定してもよい。この形態によれば、排気排水弁が正常に開弁しているか否かの判定を、アノードオフガスの排気流量を用いた方法と、アノードオフガスの排気量を用いた方法との２つの方法で判定できる。これにより、排気排水弁が正常に開弁しているか否かの判定をより一層正確に行うことができる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを搭載した車両などの形態で実現することができる。
第１実施形態における燃料電池システムの概略を示す説明図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概念図。 排気排水弁の動作判定処理を含むフローチャート。 氷点下始動処理のフローチャート。 排気排水弁の開状態における特性を示すグラフ。 動作判定処理を含む制御部が実行する各種処理のタイミングチャート。 第２実施形態における燃料電池システムの概略を示す説明図。 制御部が実行する異常判定後のフローチャート。 ステップＳ１３０、ステップＳ１４０、ステップＳ１６０のタイミングチャート。 第３実施形態の異常有無判定のフローチャート。 予め定めた基準積算量について説明するための図。
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０の概略を示す説明図である。本実施形態での燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両１２に搭載され、燃料電池車両１２の駆動用モータを駆動させるための発電装置として用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、カソードガス給排系３０と、アノードガス給排系５０と、冷媒循環系７０と、制御装置６０とを備える。
制御装置６０は、制御部６２と記憶部６４とを備える。制御部６２は、記憶部６４に記憶された各種プログラムを実行することで燃料電池システム１０の動作を制御する。例えば、制御部６２は、後述する排気排水弁５８の動作が正常か否かの正常異常判定を含む動作判定処理を実行する。記憶部６４には、各種プログラムの他に、動作判定処理などに用いる各種閾値が記憶されている。
燃料電池１５は、反応ガスとしてカソードガスおよびアノードガスの供給を受けて酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。本実施形態では、カソードガスは空気であり、アノードガスは水素ガスである。燃料電池１５は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。各単セルは、それぞれが単体でも発電可能な発電要素である。単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータとを備える。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、電解質膜の他方の面に配置されたカソードとを有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。各単セルの外周端部には、各単セルの積層方向に延び、各単セルの発電部に分岐接続されている反応ガスのためのマニホールドが設けられている（図示は省略）。各単セルは、積層された状態で、積層方向に挟まれた状態で締結されている。
カソードガス給排系３０は、燃料電池１５にカソードガスを供給したり、カソードガスを外部に排出したりする。カソードガス給排系３０は、カソードガス供給系３０Ａと、カソードガス排出系３０Ｂとを備える。カソードガス供給系３０Ａは、燃料電池１５にカソードガスを供給する。カソードガス供給系３０Ａは、カソードガス供給路３０２と、エアクリーナ３１と、コンプレッサ３３と、モータ３４と、インタークーラ３５と、分流弁３６と、を有する。
カソードガス供給路３０２は、燃料電池１５の上流側に配置され、外部と燃料電池１５のカソードとを連通させる配管である。エアクリーナ３１は、カソードガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも上流側に設けられ、燃料電池１５に供給されるカソードガス中の異物を除去する。コンプレッサ３３は、燃料電池１５よりも上流側のカソードガス供給路３０２に設けられ、制御部６２からの指示に応じて圧縮した空気をカソードに向けて吐出する。コンプレッサ３３は、制御部６２からの指示に応じて動作するモータ３４によって駆動される。インタークーラ３５は、カソードガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも下流側に設けられている。インタークーラ３５は、コンプレッサ３３によって圧縮されて高温となったカソードガスを冷却する。分流弁３６は、例えば三方弁であり、開度が調整されることで、カソードガス供給路３０２から燃料電池１５に向かうカソードガスの流量と、カソードガス供給路３０２から分岐し燃料電池１５を経由しないバイパス路３０６を流れるカソードガスの流量とを調整する。バイパス路３０６は、後述するカソードガス排出路３０９に接続されている。バイパス路３０６を流通するカソードガスはカソードガス排出路３０９を経由して外部に排出される。
カソードガス排出系３０Ｂは、カソードガスを外部に排出する。カソードガス排出系３０Ｂは、カソードガス排出路３０８と、バイパス路３０６と、調圧弁３７とを有する。カソードガス排出路３０８は、燃料電池１５から排出されたカソードガス（「カソードオフガス」とも呼ぶ。）や、バイパス路３０６を流通したカソードガスを外部に排出するための配管である。調圧弁３７は、開度を調整することで燃料電池１５のカソード側流路の背圧を調整する。調圧弁３７は、カソードガス排出路３０８のうちでバイパス路３０６が接続された地点よりも上流側に配置されている。カソードガス排出路３０８の下流側端部にはマフラー３１０が配置されている。
アノードガス給排系５０は、アノードガス供給系５０Ａと、アノードガス循環系５０Ｂと、アノードガス排出系５０Ｃとを備える。
アノードガス供給系５０Ａは、燃料電池１５にアノードガスを供給する。アノードガス供給系５０Ａは、アノードガスタンク５１と、アノードガス供給路５０１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクター５４と、圧力センサ５９と、を備える。アノードガスタンク５１は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガス供給路５０１は、アノードガスタンク５１と燃料電池１５とに接続され、アノードガスタンク５１から燃料電池１５に向かうアノードガスが流通する配管である。開閉弁５２は、開弁状態においてアノードガスタンク５１のアノードガスを下流側へと流通させる。レギュレータ５３は、制御部６２の制御によって、インジェクター５４よりも上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクター５４は、アノードガス供給路５０１のうち、後述する循環路５０３の合流地点よりも上流側に配置されている。インジェクター５４は、制御部６２によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池１５に供給されるアノードガス供給量を調整する。圧力センサ５９は、アノードガス供給路５０１のうちでインジェクター５４よりも下流側の内部圧力（アノードガスの供給圧力）を計測する。計測結果は制御装置６０に送信される。
アノードガス循環系５０Ｂは、燃料電池１５から排出されるアノードガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ。）を再びアノードガス供給路５０１に循環させる。アノードガス循環系５０Ｂは、アノードガス循環路５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、モータ５６とを有する。アノードガス循環路５０２は、燃料電池１５とアノードガス供給路５０１とに接続され、アノードガス供給路５０１に向かうアノードオフガスが流通する配管である。気液分離器５７は、アノードガス循環路５０２に設けられ、液水混じりのアノードオフガスから液水を分離する。循環ポンプ５５は、モータ５６を駆動させることでアノードガス循環路５０２内のアノードオフガスをアノードガス供給路５０１に向かって循環させる。
アノードガス排出系５０Ｃは、アノードオフガスや燃料電池１５の発電によって生じた液水を外部へ排出する。アノードガス排出系５０Ｃは、排気排水路５０４と、排気排水弁５８と、を有する。排気排水路５０４は、液水を排出する気液分離器５７の排出口と、外部とを連通する配管である。
排気排水弁５８は、排気排水路５０４に配置され、排気排水路５０４を開閉する。排気排水弁５８には、例えば、ダイヤフラム弁が用いられる。排気排水弁５８が正常に開弁していると判定された燃料電池システム１０の通常運転状態では、制御部６２は、予め定めたタイミングで排気排水弁５８に対して開弁指示を行うと共に、インジェクター５４を開閉制御してアノードガスを下流側へと供給する（通常排気処理）。これにより、排気排水弁５８が開状態となり、アノードオフガスに含まれる不純物ガスである窒素ガスが液水と共に排気排水路５０４を介して外部に排出される。予め定めたタイミングとしては、例えば、気液分離器５７の液水が予め定めた第１液水量以上だけ貯留されたときである。なお、通常排気処理では、循環ポンプ５５は駆動していてもよいし停止していてもよい。
冷媒循環系７０は、冷媒を用いて燃料電池１５の温度を調整する。冷媒としては、水やエチレングリコール等の不凍液が用いられる。冷媒循環系７０は、冷媒循環路７９と、冷媒循環ポンプ７４と、モータ７５と、ラジエータ７２と、ラジエータファン７１と、温度センサ７３とを備える。
冷媒循環路７９は、冷媒供給路７９Ａと、冷媒排出路７９Ｂとを有する。冷媒供給路７９Ａは、燃料電池１５に冷媒を供給するための配管である。冷媒排出路７９Ｂは、燃料電池１５から冷媒を排出するための配管である。冷媒循環ポンプ７４は、モータ７５の駆動によって冷媒供給路７９Ａの冷媒を燃料電池１５へ送り出す。ラジエータ７２は、ラジエータファン７１によって風が送られることで放熱することで内部を流通する冷媒を冷却する。温度センサ７３は、冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度を計測する。冷媒の温度の計測結果は、制御部６２に送信される。
制御部６２は、記憶部６４に記憶されたプログラムを実行することで機能する流量取得部６６および貯水量取得部６７を有する。流量取得部６６は、圧力センサ５９から取得した圧力の変化を用いて排気排水弁５８から排出されるアノードオフガスの排気流量を算出することで取得する。排気流量の算出方法については後述する。貯水量取得部６７は、気液分離器５７に貯留された液水の量を取得する。本実施形態では、貯水量取得部６７は、燃料電池１５の発電量を用いて燃料電池１５によって生成される液水の量を算出し、算出した液水の量を貯水量と推定してもよい。また他の実施形態では、気液分離器５７に水位センサを少なくとも一つ配置し、水位センサからの検出信号をもとに貯水量を取得してもよい。水位センサは、例えば、制御部６２が制御に用いる貯水量の閾値に応じて配置される。例えば、第１液水量以上のときに通常排気処理を実行する場合は、水位センサは、第１液水量に対応する位置に配置される。
図２は、燃料電池システム１０の電気的構成を示す概念図である。燃料電池システム１０は、ＦＤＣ９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、セル電圧計９１と、電流センサ９２とを備える。
セル電圧計９１は、燃料電池１５の全ての単セル１５１それぞれと接続されており、全ての単セル１５１それぞれを対象にセル電圧を計測する。セル電圧計９１は、その計測結果を制御装置６０に送信する。電流センサ９２は、燃料電池１５による出力電流の値を計測し、制御装置６０に送信する。
ＦＤＣ９５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路である。ＦＤＣ９５は、制御装置６０から送信される電圧指令値に基づき、ＦＤＣ９５の出力電圧を制御する。また、ＦＤＣ９５は、制御装置６０から送信される電流指令値に基づき、燃料電池１５による出力電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池１５による出力電流の目標値となる値であり、制御装置６０によって設定される。制御装置６０は、例えば、燃料電池１５の要求電力量を用いて要求電流値を算出することで電流指令値を生成する。
ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池１５と負荷２５５とに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池１５から出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２５５に供給する。
燃料電池システム１０は、さらに、二次電池９６と、ＢＤＣ９７とを備える。二次電池９６は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池で構成され、補助電源として機能する。また二次電池９６は、燃料電池１５への電力の供給と、燃料電池１５によって生じる電力や回生電力の充電とを行う。
ＢＤＣ９７は、ＦＤＣ９５と共にＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路であり、制御部としての制御装置６０の指示に応じて二次電池９６の充放電を制御する。ＢＤＣ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、制御装置６０に送信する。
図３は、排気排水弁５８の動作判定処理を含むフローチャートである。図４は、氷点下始動処理のフローチャートである。図５は、排気排水弁５８の開状態における特性を示すグラフである。図５のグラフにおいて、縦軸は排気排水弁５８から排出されるアノードオフガスの排気量であり、横軸は経過時間である。図３に示す動作判定処理は、燃料電池車両１２のスタートスイッチがＯＮとなり、燃料電池システム１０が起動指示を受けた時である始動時に実行される。また、動作判定処理は、始動時以降の予め定めたタイミングで実行してもよい。
図３に示すように、制御部６２は、燃料電池システム１０が配置された環境下の温度である環境温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。本実施形態では、環境温度は、温度取得部である温度センサ７３（図１）によって取得された冷媒排出路７９Ｂの冷媒温度である。なお、他の実施形態では、環境温度は、外気温の温度であってもよいし、排気排水弁５８の温度であってもよい。外気温は、例えば外気温センサを配置することで取得できる。排気排水弁５８の温度は、例えば、排気排水弁５８に温度センサを配置することで取得できる。
ステップＳ１０において「Ｎｏ」の判定が成された場合には、制御部６２は、車両走行許可を運転者に報知する（ステップＳ５０）。ステップＳ５０では、燃料電池車両１２の車内のモニターなどに燃料電池車両１２が走行可能な状態になったことを表示することで、車両走行許可を運転者に報知する。一方で、ステップＳ１０において「Ｙｅｓ」の判定が成された場合には、制御部６２は氷点下始動処理を実行する（ステップＳ１５）。氷点下始動処理は、燃料電池１５に凍結が生じていた場合でも、燃料電池１５の要求発電量を確保するための処理である。
図４に示すように、氷点下始動処理において、制御部６２はコンプレッサ３３を駆動する（ステップＳ７０）。次に、制御部６２は、インジェクター５４の開閉を制御して、アノードガスを燃料電池１５に供給する（ステップＳ７２）。ステップＳ７２において、アノードガスが燃料電池１５に供給されている間は、燃料電池１５のアノード内をアノードガスで置換するために循環ポンプ５５は停止している。また、制御部６２は、排気排水弁５８に開弁指示を行う（ステップＳ７４）。氷点下始動処理は、圧力センサ５９によって計測される圧力値を用いて算出された、燃料電池１５のアノードへのアノードガスの供給量が、アノードの容積以上となるまで継続される。
上記の氷点下始動処理において、排気排水弁５８に対して開弁指示が行われた場合に、制御部６２は、排気排水弁５８からのアノードオフガスの排気流量が、予め定めた正常基準値以上であるか否かを判定する（図３のステップＳ３０）。ステップＳ３０では、アノードオフガスの排気流量と予め定めた正常基準値は、共に質量流量で表して比較してもよいし、共に体積流量で表して比較してもよい。
正常基準値は、記憶部６４に記憶されている。図５に示すように、正常基準値Ｌｓ［ｍ３／ｓｅｃ］は、排気排水弁５８が開弁状態のときの排気流量の設計値Ｌｃ［ｍ３／ｓｅｃ］よりも低い値に設定されている。設計値Ｌｃは、排気排水弁５８の開通率が１００％のときの値である。開通率とは、排気排水弁５８に異常がなく設計通りに開状態になった場合における排気排水弁５８の流路断面積に対する、実際の排気排水弁５８の流路断面積の割合（％）である。正常基準値Ｌｓは、アノードガスの目標供給圧力において、制御部６２が排気排水弁５８に開弁指示を送ってから予め定めた時間経過したときに、通常排気処理におけるアノードオフガスの目標排気量（積算値）に到達できる排気流量に設定されている。例えば、正常基準値Ｌｓは、排気排水弁５８の開通率が５０％のときの排気流量に設定されている。本実施形態において、開通率が５０％の場合、燃料電池１５の温度（本実施形態では温度センサ７３の計測値）が０℃、アノードガスの目標供給圧が１００ｋＰａのときには、通常排気処理におけるアノードオフガスの目標排気量は０．１Ｌとなる。予め定めた時間は、例えば排気排水弁５８の開通率が５０％である場合に、目標排気量０．１Ｌに到達する時間に、圧力センサ５９の計測値が安定するまでの余剰時間を考慮して決定される。本実施形態では、例えば予め定めた時間は０．３ｓｅｃである。つまり、正常基準値Ｌｓは、０．１Ｌ／０．３ｓｅｃの排気流量に設定されている。この正常基準値Ｌｓは、燃料電池１５の温度と、アノードガスの目標供給圧とに応じて変更してもよい。
アノードオフガスの排気流量は、燃料電池システム１０が備える流量取得部６６によって取得される。本実施形態では、流量取得部は、圧力センサ５９と制御部６２とによって構成されている。制御部６２は、アノードガスの排気流量を以下の式（１）～（４）を用いて算出することで取得する。
Ｐｖ＝ｆ（Ｑｉｎ－Ｑｃｒｓ－ＱＦＣ－Ｑｅｘ）・・・式（１）
ここで、Ｐｖは圧力センサ５９の計測値（圧力）を時間で微分することで求められる、アノードガス供給路５０１内のアノードガスの圧力低下速度［Ｐａ／ｓｅｃ］であり、Ｑｉｎはインジェクター５４から下流側に供給されるアノードガスの供給流量［ｍ３／ｓｅｃ］であり、Ｑｃｒｓは燃料電池１５のアノードからカソードへの水素透過速度［ｍ３／ｓｅｃ］であり、ＱＦＣは燃料電池１５の発電によって消費されるアノードガス速度［ｍ３／ｓｅｃ］であり、Ｑｅｘは排気排水弁５８から排出されるアノードガスの排気流量［ｍ３／ｓｅｃ］であり、ｆは関数を表す。Ｑｉｎ，Ｑｃｒｓ，ＱＦＣは、標準状態のガスの体積流量［ｍ３／ｓｅｃ］で表現される。Ｑｉｎは、インジェクター５４を挟む流路の下流側と上流側の差圧を用いてオリフィスの式によって算出される。図３に示すステップＳ３０の判定は、インジェクター５４の動作停止中、つまり閉動作中に実行されることが好ましい。この場合には、Ｑｉｎには「０」が代入される。Ｑｃｒｓは両極間の水素分圧差をもとに算出される。ステップＳ３０の判定を行う際には、透過水素速度は非常に小さいため、Ｑｃｒｓは「０」と見なしてよい。
ＱＦＣは、以下の式（２）によって算出される。
ＱＦＣ＝（Ｉ／Ｆ）×（１／２）×Ｎ×２２．４×１０－３・・・式（２）
ここで、Ｉは電流センサ９２による計測電流値［Ａ］、Ｆはファラデー数、Ｎは単セル１５１の積層枚数である。２２．４×１０－３は、標準状態の気体１モル当たりの体積［ｍ３／ｍｏｌ］である。
上記式（１）にＱｉｎに「０」、Ｑｃｒｓに「０」を代入することで、以下の式（３）が導出され、式（３）から式（４）が導出される。
Ｐｖ＝ｆ（－ＱＦＣ－Ｑｅｘ）・・・式（３）
Ｑｅｘ＝［{Ｖ×（Ｐｖ／Ｐｓ）×（２７３／（２７３＋Ｔ）}］－ＱＦＣ・・・式（４）
式（４）において、Ｖは、排気排水弁５８の閉状態においてインジェクター５４の下流側におけるアノードガスが流通できる容積［ｍ３］であり、アノードガス供給路５０１のうちのインジェクター５４よりも下流側、燃料電池１５のアノードが流通するマニホールド、アノードガス循環路５０２、および、気液分離器５７のトータルの容積である。また式（４）において、Ｐｓは標準圧力であり本実施形態では１０１．３ｋＰａである。またＴは、燃料電池システム１０が配置された環境温度［℃］であり、本実施形態では温度センサ７３の計測値（摂氏）である。
制御部６２は、上記式（４）に上記式（２）を代入することで、排気流量Ｑｅｘを算出する。但し、燃料電池１５が発電していないときには、ＱＦＣは「０」である。
図３に示すように、制御部６２は、アノードオフガスの排気流量Ｑｅｘと正常基準値とを比較し、排気流量Ｑｅｘが正常基準値以上であるか否かを判定することで排気排水弁５８が正常に開弁するか否かの正常異常判定を行う（ステップＳ３０）。具体的には、図４のステップＳ７４を実行してから０．３秒後において、式（４）で算出した排気流量に０．３秒をかけた値が、基準量（例えば、０．１Ｌ）以上である場合には、図３のステップＳ３０で「Ｙｅｓ」の判定が成される。この場合、制御部６２は、排気排水弁５８が正常に開弁しているという正常判定を行う（ステップＳ４０）。つまり、制御部６２は、排気排水弁５８に対して開弁指示を行っている状態において、排気排水弁５８からのアノードガスの排気流量Ｑｅｘが、予め定めた正常基準値以上である場合に正常判定を行う。制御部６２は、ステップＳ４０の後にステップＳ５０を実行する。
一方で、アノードオフガスの排気流量Ｑｅｘが正常基準値未満である場合には、制御部６２は、排気排水弁５８が正常に開弁していないという異常判定を行う（ステップＳ６０）。つまり、制御部６２は、排気排水弁５８に対して開弁指示を行っている状態において、排気排水弁５８からのアノードガスの排気流量Ｑｅｘが、予め定めた正常基準値よりも低い場合に異常判定を行う。この場合、制御部６２は、ステップＳ７０に進み、排気排水弁５８に異常があることを運転者に報知し、車両走行許可を実行することなく動作判定処理を終了する。
図６は、動作判定処理を含む制御部６２が実行する各種処理のタイミングチャートである。時刻ｔ１においてスタートスイッチがＯＮになると、温度センサ７３から取得した温度が氷点下の場合には氷点下始動処理が実行される。氷点下始動処理が開始され、時刻ｔ２においてアノードガス供給圧力が予め定めた目標圧力に到達した場合に、制御部６２は排気排水弁５８に開弁指示を行う。時刻ｔ２において開弁指示を行ってから、予め定めた時間（例えば、０．３秒）だけ経過したときに、図３に示すステップＳ３０の正常異常判定を実行する。時刻ｔ３において排気排水弁５８の正常判定が成された場合は、制御部６２は車両走行許可を報知する。時刻ｔ４において、燃料電池１５のアノードへのアノードガス置換が完了することで、氷点下始動処理は終了する。氷点下始動処理の終了後に、制御部６２はアノードガスの供給圧力を更に上げる。時刻ｔ５において、アノードガスの供給圧力が予め定めた圧力に到達したときに、燃料電池１５に電圧を印加することで電流がある閾値以上流れた場合に、燃料電池１５が正常に発電できた判定する。これにより、燃料電池１５の発電を利用した燃料電池車両１２の走行が実行される。
以上のように、上記第１実施形態によれば、制御部６２は排気流量Ｑｅｘを用いて排気排水弁５８の正常異常判定を実行することで、排気排水弁５８が正常に開弁しているか否かの正常異常判定を正しく行うことができる。例えば、凍結以外の原因によって排気排水弁５８が正常に開弁していない場合の判定を正しく行うことができる。また例えば、排気流量を用いて正常異常判定を行うことで、凍結に起因して排気排水弁５８が正常に開弁していない場合の判定を正しく行うことができる。
また上記第１実施形態によれば、氷点下始動処理において排気排水弁５８に対して開弁指示が行われている場合に、正常異常判定が行われる。つまり、氷点下始動処理の実行中に正常異常判定が実行されることで、氷点下始動処理を利用して正常異常判定を実行できる。これにより、制御部６２は、氷点下始動処理とは独立して正常異常判定を行うために、排気排水弁５８の開弁指示を行う必要がない。
なお、上記第１実施形態において、制御部６２は、インジェクター５４の動作を制御することで、動作判定処理において燃料電池１５に供給するアノードガスの圧力（判定時圧力）を、通常排気処理において燃料電池１５に供給するアノードガスの圧力（通常時圧力）よりも高くしてもよい。排気排水弁５８からのアノードオフガスの排気流量は、アノードガス圧力の低下速度（Ｐｖ）を用いて算出されるため、燃料電池１５に供給されるアノードガスの圧力が高いほど、他の圧力変動ノイズによる影響を相対的に小さくできる。これにより、制御部６２は、正常異常判定をより正しく行うことができる。また、供給されるアノードガスの圧力が高い方が、アノードオフガスの排気流量も高くなるため、正常異常判定にかかる時間を短縮できる。なお、判定時圧力は、通常時圧力の１１０％以上であってもよく、また１２０％以上であってもよい。判定時圧力の上限は、アノードガス給排系５０の各種部品が破損しない上限である上限圧未満に設定される。ここで、燃料電池１５に供給されるアノードガスの圧力は、例えば、圧力センサ５９によって計測された平均値を用いる。
また、制御部６２は、判定時圧力を通常時圧力よりも高くした場合には、カソードガス排出路３０８に流通するカソードガスの流量（判定時カソードガス流量）を、通常排気処理においてカソードガス排出路３０８に流通するカソードガスの流量（通常時カソードガス流量）よりも大きくしてもよい。これにより、カソードガスによってアノードオフガスを希釈できるので、水素ガス濃度の高い気体が外部に排出される可能性を低減できる。カソードガス排出路３０８に流通するカソードガスの流量は、例えば、コンプレッサ３３の回転数を上げることで大きくできる。また、判定時カソードガス流量は、通常時カソードガス流量の１１０％以上であってもよく、１２０％以上であってもよい。
Ｂ．第２実施形態：
図７は、燃料電池システム１０の制御装置６０が実行する他のフローチャートである。図７に示すフローチャートは、図３のステップＳ６０に示す排気排水弁５８の異常判定が成された後に実行される。なお、図７に示すフローチャートは、図３のステップＳ７０の前後いずれかに実行してもよいし、ステップＳ７０に代えて実行してもよい。
まず制御部６２は、異常を解除するための処理である暖機運転を実行する（ステップＳ１００）。暖機運転は、予め定めた時間だけ実行される。暖機運転によって燃料電池１５が昇温することで、燃料電池１５からの熱を利用して燃料電池１５の周囲に配置された排気排水弁５８を加熱する。これにより、排気排水弁５８が正常に動作していない原因が凍結である場合には、排気排水弁５８の凍結を解凍できるので、排気排水弁５８の動作を正常に復帰させることができる。暖機運転には、通常の暖機運転と、急速暖機運転とがあり、どちらの運転を実行してもよい。急速暖機運転とは、排気排水弁５８が正常に開弁していると判定された燃料電池システム１０の通常運転時よりも、燃料電池１５の発電量を用いて理論的に求められたカソードガスの理論供給量に対するカソードガスの供給量の比率であるカソードガスストイキ比を低くした運転である。通常運転時では、カソードガスストイキ比が１．５～２．０程度に設定されている。これに対し、急速暖機運転では、カソードガスストイキ比が１．０に近い値、例えば、０．９～１．１程度に設定されている。暖機運転とは、急速暖機運転よりもカソードストイキ比が高い運転であり、カソードストイキ比が通常運転時と同程度である。
次に制御部６２は、暖機運転中や暖機運転後の予め定めたタイミングにおいて、排気排水弁５８に開弁指示を行うことで復帰排気処理を行う（ステップＳ１４０）。予め定めたタイミングとしては、例えば、気液分離器５７に第１液水量以上の液水が貯留されたタイミングである。
次に、制御部６２は、排気排水弁５８の動作が正常に復帰しているか否かの復帰有無判定を実行する（ステップＳ１６０）。具体的には、制御部６２は、排気排水弁５８からのアノードオフガスの排気流量Ｑｅｘが、予め定めた復帰基準値以上である場合には、排気排水弁５８の動作が正常に復帰したと判定する。つまり、制御部６２は、暖機運転によって排気排水弁５８の凍結が解凍したと判定する。一方で、制御部６２は、排気流量Ｑｅｘが、予め定めた復帰基準値未満である場合には、排気排水弁５８の動作が正常に復帰していないと判定する。つまり、制御部６２は、暖機運転によって排気排水弁５８の凍結が解凍していないと判定する。排気流量Ｑｅｘは、第１実施形態と同様に式（１）～式（４）を用いて算出される。復帰基準値は、第１実施形態の正常基準値と同じ値に設定してもよいし、正常基準値よりも低い値に設定してもよい。ステップＳ１６０の判定は、例えば、ステップＳ１４０の処理を実行してから予め定めた復帰有無判定時間だけ経過した後に判定される。復帰有無判定時間は、排気流量Ｑｅｘが安定するまでの時間であり、例えば０．５秒に設定される。つまり、ステップＳ１６０では、復帰有無判定時間が経過したとき排気流量Ｑｅｘに、復帰有無経過時間をかけた値が、復帰基準値を定めたときの開通率によって想定される排気流量に復帰有無経過時間をかけた値以上となっているか否かが判定される。
ステップＳ１６０で「Ｙｅｓ」の判定が成された場合、制御部６２は復帰後処理を実行する（ステップＳ１７０）。復帰後処理としては、燃料電池システム１０のスタートスイッチがＯＮとなり車両走行許可が成されるまでの始動時においては、車両走行許可を運転者に報知する処理であったり、燃料電池１５を発電させることが可能な状態にする処理であったりする。また復帰後処理としては、スタートスイッチがＯＦＦとなり燃料電池システム１０ａの停止が行われる際には、コンプレッサ３３の駆動を停止する処理が挙げられる。
一方、ステップＳ１６０で「Ｎｏ」の判定が成された場合、制御部６２は再びステップＳ１４０を実行する。
上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加え以下の効果を奏する。すなわち、上記第２実施形態によれば、暖機運転によって燃料電池１５が昇温することで、燃料電池１５からの熱を利用して排気排水弁５８を加熱できる。これにより、排気排水弁５８が正常に開弁しない原因が凍結である場合には、排気排水弁５８の凍結を解凍できるので、排気排水弁５８の動作を正常に復帰させることができる。また、復帰有無判定によって、排気排水弁５８の動作が復帰したか否かを確認できる。
Ｃ．第３実施形態：
図８は、燃料電池システム１０の制御装置６０が実行する他のフローチャートである。図８に示すフローチャートは、図３のステップＳ６０に示す排気排水弁５８の異常判定が成された後に実行される。なお、図８に示すフローチャートは、図３のステップＳ７０の前後いずれかに実行してもよいし、ステップＳ７０に代えて実行してもよい。また第２実施形態のフローチャート（図７）と同様のステップについては同一符号を付すと共に説明を省略する。
まず制御部６２は、異常を解除するための処理である暖機運転を実行する（ステップＳ１００）。暖機運転の完了後に、制御部６２は、燃料電池システム１０ａが低負荷での運転状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。低負荷での運転状態とは、燃料電池車両１２の停車中におけるアイドリング運転時などの、燃料電池１５に接続された負荷が予め定めた値（例えば、２キロワット）以下の状態である。ステップＳ１０２で「Ｎｏ」の判定が成された場合は、制御部６２は本フローチャートの処理を終了する。
一方で、ステップＳ１０２で「Ｙｅｓ」の判定が成された場合は、制御部６２は、排気排水弁５８に開弁指示を行うトリガーとなる気液分離器５７に貯留された液水の閾値を第２液水量に設定する。第２液水量は、通常排気処理のトリガーとなる第１液水量よりも少ない量である。異常判定後の処理では、制御部６２は気液分離器５７に貯留された液水が第２液水量以上になったときに、排気排水弁５８に開弁指示を行う。第２液水量は、例えば、第１液水量の２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。これにより、排気排水弁５８に開弁指示が行われる頻度を多くできるので、後述する復帰有無判定の判定回数を多くできる。
次に制御部６２は、気液分離器５７に貯留された液水の量が第２液水量以上になったか否かを判定する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０において「Ｎｏ」の判定が成された場合には、再びステップＳ１０２が実行される。一方で、ステップＳ１３０において「Ｙｅｓ」の判定が成された場合には、制御部６２は排気排水弁５８に開弁指示を行うことで復帰排気処理を実行する（ステップＳ１４０）。
次に制御部６２は、後述する復帰有無判定をより正しく行うための事前処理を実行する（ステップＳ１５０）。なお、ステップＳ１４０とステップＳ１５０の順番は逆であってもよい。事前処理は、以下の少なくとも一つの処理を含む。
・第１事前処理：通常排気処理の実行中よりも燃料電池１５に供給するアノードガスの圧力を高くする。
・第２事前処理：通常排気処理の実行中よりもアノードガス循環路５０２からアノードガス供給路５０１に循環するアノードオフガスの流量を低くする。
・第３事前処理：通常排気処理の実行中よりも燃料電池１５の電流値を小さく設定する。
第１事前処理では、例えば、制御部６２がインジェクター５４の開弁間隔を通常排気処理の実行中よりも短くしたり、開弁時間を長くしたりする。第１事前処理におけるアノードガスの供給圧力は、例えば、通常排気処理の実行中におけるアノードガスの供給圧力の１１０％以上であってもよく、また１２０％以上であってもよい。第１事前処理におけるアノードガスの供給圧力の上限は、アノードガス給排系５０の各種部品が破損しない上限である上限圧未満に設定される。
第２事前処理では、例えば、制御部６２が循環ポンプ５５の駆動を停止することで、アノードガス供給路５０１に循環するアノードオフガスの流量を低くする。第３事前処理では、例えば、制御部６２が電流指令値としての電流値をゼロに設定する。
ステップＳ１５０において、第１事前処理から第３事前処理の少なくとも一つの処理が実行される場合は、制御部６２は以下の第４事前処理を実行してもよい。
・第４事前処理：カソードガス排出路３０８に流通するカソードガスの流量を、通常排気処理においてカソードガス排出路３０８に流通するカソードガスの流量よりも大きくする。
第４事前処理では、例えば、制御部６２がコンプレッサ３３の回転数を上げることでカソードガス流量を大きくする。また、第４事前処理におけるカソードガスの流量は、通常排気処理におけるカソードガスの流量の１１０％以上であってもよく、１２０％以上であってもよい。第４事前処理が実行されることで、第１事前処理や第２事前処理や第３事前処理によって、排気排水弁５８を介して外部に排出されるアノードオフガスの量が増えた場合でも、カソードオフガスによってアノードオフガス中の水素ガスを希釈できる。これにより、水素ガス濃度の高い気体がカソードガス排出路３０８を経由して外部に排出される可能性を低減できる。
ステップＳ１５０の次に、制御部６２は、排気排水弁５８の動作が正常に復帰しているか否かの復帰有無判定を実行する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０で「Ｙｅｓ」の判定が成された場合、制御部６２は復帰後処理を実行する（ステップＳ１７０）。
一方、ステップＳ１６０で「Ｎｏ」の判定が成された場合、制御部６２は再びステップＳ１０２を実行する。
図９は、図８に示すステップＳ１３０、ステップＳ１４０、ステップＳ１６０のタイミングチャートである。燃料電池１５の発電量から推定される気液分離器５７に貯留された液水量が、第２液水量に達したときに（時刻ｔ１０，ｔ１４，ｔ１８）、制御部６２は排気排水弁５８に対して開弁指示を行う。排気排水弁５８が正常に動作していると仮定した場合において、排気排水弁５８から液水が排出され貯留された液水量が所定値以下（例えば、ゼロ）になったときに（時刻ｔ１２，ｔ１６）、制御部６２は排気排水弁５８に対して閉弁指示を行う。排気排水弁５８に開弁指示が行われている間は、インジェクター５４の開弁間隔を通常排気処理の実行中よりも短くすることでアノードガスの供給圧力を高くする。また、排気排水弁５８に開弁指示が行われている間は、通常排気処理の実行中よりもコンプレッサ３３の回転数を高くしてカソードガス排出路３０８に流通するカソードガスの流量を増大させる。制御部６２は、排気排水弁５８に開弁指示が行われている期間において、復帰有無判定を実行する。
上記第３実施形態によれば、上記第１，第２実施形態と同様の効果に加え以下の効果を奏する。すなわち、制御部６２は、排気排水弁５８の動作が正常に復帰する前の状態における燃料電池システム１０の復帰前状態、つまり動作判定処理において排気排水弁５８が正常に開弁していないと判定した後の予め定めたタイミング以降に、復帰排気処理（図８のステップＳ１４０）によって排気排水弁５８に対して開弁指示を行う。また制御部６２は、この復帰排気処理における排気排水弁５８に対して開弁指示が行われているときに、復帰有無判定を実行する（図８のステップＳ１６０）。また制御部６２は、第１液水量よりも少ない第２液水量以上になった場合に、復帰排気処理を実行する。これにより、復帰排気処理の実行回数を多くできるので、排気排水弁５８に対して開弁指示を行う回数を多くできる。よって、復帰有無判定の頻度を多くできるので、復帰後処理の遅延を防止できる。
また上記第３実施形態によれば、制御部６２は、復帰有無判定を行う場合には、事前処理を実行する（図８のステップＳ１５０）。制御部６２は、事前処理として通常排気処理の実行中よりも燃料電池１５に供給するアノードガスの圧力を高くする第１事前処理を実行することで以下の効果を奏する。すなわち、排気排水弁５８からのアノードオフガスの排気流量Ｑｅｘは、アノードガス圧力の低下速度（Ｐｖ）を用いて算出される。よって、燃料電池１５に供給されるアノードガスの圧力が高いほど、他の圧力変動ノイズによる影響を相対的に小さくできる。これにより、制御部６２は、復帰有無判定をより正しく行うことができる。また、供給されるアノードガスの圧力が高い方が、アノードオフガスの排気流量Ｑｅｘも高くなるため、復帰有無判定にかかる時間を短縮できる。
また制御部６２は、事前処理として通常排気処理の実行中よりもアノードガス循環路５０２から流通するアノードガス供給路５０１に循環するアノードオフガスの流量を低くする第２事前処理を実行することで以下の効果を奏する。すなわち、循環するアノードガスの流量を低くすることで、アノードガス供給路５０１のうちで圧力センサ５９が配置された領域の圧力の脈動を抑制できる。これにより、圧力変動ノイズを低減できるので、復帰有無判定をより正しく行うことができる。
また制御部６２は、事前処理として通常排気処理の実行中よりも燃料電池１５の電流値を小さく設定する第３事前処理を実行することで以下の効果を奏する。すなわち、燃料電池１５の電流値が大きくなると、燃料電池１５に供給されたアノードガスの燃料電池１５での消費量が多くなる。これによって、圧力センサ５９によって計測される圧力の圧力変動ノイズが大きくなる。一方で、第３事前処理によって燃料電池１５の電流値を小さく設定することで、燃料電池１５でのアノードガスの消費量を低減できるので、圧力変動ノイズを低減できるので、復帰有無判定をより正しく行うことができる。
以上のように、第１事前処理から第３事前処理の少なくとも一つの処理を実行することで、排気排水弁５８から排出されるアノードオフガス以外の要素によって、圧力センサ５９によって計測される圧力が変動する可能性を低減できる。これにより、排気流量Ｑｅｘの算出精度をより向上できるので、復帰有無判定をより正しく行うことができる。
Ｄ．第４実施形態：
上記の第１実施形態～第３実施形態では、制御部６２は、排気流量Ｑｅｘが正常基準値Ｌｓ未満である場合に、排気排水弁５８の異常判定を行っていたが、これに限定されるものではない。以下では、第１実施形態を用いて、制御部６２が実行する他の異常有無判定の内容を説明する。
図１０は、第４実施形態の異常有無判定のフローチャートである。第１実施形態の図３のフローチャートと同様のステップについては同一符号を付すと共に説明を省略する。図１１は、予め定めた基準積算量について説明するための図である。
図１０に示すように、ステップＳ３０で「Ｎｏ」の判定が成された場合、すなわち正常異常判定において排気排水弁５８が正常に開弁していないと判定された場合、制御部６２はステップＳ５５を実行する。ステップＳ５５では、予め定めた期間における排気排水路５０４から排出されたアノードオフガスの積算量が、予め定めた基準積算量以上であるか否かが判定される。アノードオフガスの積算量が、予め定めた基準積算量以上である場合は、排気流量Ｑｅｘが正常基準値Ｌｓよりも低い場合でもあっても、排気排水弁５８が正常に開弁していると判定する（ステップＳ４０）。一方で、排出されたアノードオフガスの積算量が、予め定めた基準積算量未満である場合は、排気排水弁５８の正常に動作していないと判定する（ステップＳ６０）。
制御部６２は、排出されたアノードオフガスの積算量（排気積算量）を、インジェクター５４がＯＦＦの期間において、ステップＳ３０の判定期間よりも長い予め定めた期間（例えば、５秒間）の圧力センサ５９によって計測されたアノードガスの圧力低下量を用いて算出する。具体的には、制御部６２は、以下の式（５）を用いて排気積算量を算出する。
Ｑｖｅｘ＝［{Ｖ×（△Ｐ／Ｐｓ）×（２７３／（２７３＋Ｔ）}］－ＱｖＦＣ・・・式（５）
ここで、Ｑｖｅｘは排気積算量である。またＶは、排気排水弁５８の閉状態においてインジェクター５４の下流側におけるアノードガスが流通できる容積であり、アノードガス供給路５０１のうちのインジェクター５４よりも下流側、燃料電池１５のアノードが流通するマニホールド、アノードガス循環路５０２、および、気液分離器５７のトータルの容積である。△Ｐは、予め定めた期間における圧力センサ５９によって計測されたアノードガスの圧力低下量である。また、Ｐｓは標準圧力であり本実施形態では１０１．３ｋＰａであり、Ｔは燃料電池システム１０が配置された環境温度であり本実施形態では温度センサ７３の計測値である。ＱｖＦＣは、予め定めた期間において燃料電池１５の発電によって消費されたアノードガスの量である。
図１１に示すように、予め定めた基準積算量Ｑｖｓは、排気排水弁５８の開通率が正常基準値Ｌｓにおける開通率よりも低い値のときのカソードオフガスの排気流量Ｌｐをもとに算出される。具体的には、基準積算量Ｑｖｓは、排気流量Ｌｐに予め定めた期間（例えば、５秒間）をかけた値である。排気流量Ｌｐに対応する開通率は、通常排気処理におけるアノードオフガスの目標排気量に予め定めた期間において到達できる範囲内で設定してもよい。これにより、ステップＳ５５において「Ｙｅｓ」の判定が成された場合において、その後の通常排気処理の実施時間が長くなることを抑制できる。
上記第４実施形態によれば、排気排水弁５８が正常に開弁しているか否かの判定を、アノードオフガスの排気流量を用いた方法と、アノードオフガスの排気量を用いた方法との２つの方法で判定している。これにより。排気排水弁５８が正常に開弁しているか否かの判定をより一層正しく行うことができる。例えば、正常基準値Ｌｓは安全側の値に設定することで、制御部６２はステップＳ３０において、排気排水弁５８が正しく開弁しているか否かを判定し、正しく開弁していない場合には、基準積算量Ｑｖｓを用いて再び排気排水弁５８が正しく開弁しているか否かを判定できる。
Ｅ．他の実施形態：
Ｅ－１．他の実施形態１：
上記各実施形態において、制御部６２は、温度センサ７３（図１）によって取得された温度が氷点下である場合に、排気排水弁５８が正常に動作しているか否かの正常異常判定を行っていたが（図３）、他の場合においても正常異常判定を行ってもよい。例えば、制御部６２は、温度センサ７３（図１）によって取得された温度が氷点下でない場合においても正常異常判定を行ってもよい。このようにしても、排気排水弁５８が正常に動作しているか否かの判定を正しく行うことができる。
Ｅ－２．他の実施形態２：
上記各実施形態では、流量取得部は、制御部６２と圧力センサ５９とによって構成され、圧力センサ５９から取得された圧力を用いて制御部６２，６２が排気流量Ｑｅｘを算出していたが、これに限定されるものではない。流量取得部は、排気排水路５０４のうち排気排水弁５８の出口近傍に流量計を配置し、流量計を流量取得部として機能させてもよい。
Ｅ－３．他の実施形態３：
上記第３実施形態において、復帰基準値は、正常基準値の開通率より低く、かつ、排気流量Ｌｐに対応する開通率よりも高い開通率のときのカソードオフガスの排気流量としてもよい。
Ｅ－４．他の実施形態４：
上記第２実施形態や第３実施形態では、制御部６２は、動作判定処理において排気排水弁５８が正常に開弁していないと判定した場合には、燃料電池１５を昇温させるための暖機運転を実行していたが、これに限定されるものはない。制御部６２は、他の方法を用いて排気排水弁５８を昇温させるための処理を実行してもよい。例えば、制御部６２は、加熱ヒータによって加熱することで排気排水弁５８を昇温させてもよい。
なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の変形態様の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の変形態様の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、実施形態と変形態様と変形例とを組み合わせてもよい。
１０…燃料電池システム、１２…燃料電池車両、１５…燃料電池、３０…カソードガス給排系、３０Ａ…カソードガス供給系、３０Ｂ…カソードガス排出系、３１…エアクリーナ、３３…コンプレッサ、３４…モータ、３５…インタークーラ、３６…分流弁、３７…調圧弁、５０…アノードガス給排系、５０Ａ…アノードガス供給系、５０Ｂ…アノードガス循環系、５０Ｃ…アノードガス排出系、５１…アノードガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクター、５５…循環ポンプ、５６…モータ、５７…気液分離器、５８…排気排水弁、５９…圧力センサ、６０…制御装置、６２…制御部、６４…記憶部、６６…流量取得部、６７…貯水量取得部、７０…冷媒循環系、７１…ラジエータファン、７２…ラジエータ、７３…温度センサ、７４…冷媒循環ポンプ、７５…モータ、７９…冷媒循環路、７９Ａ…冷媒供給路、７９Ｂ…冷媒排出路、９１…セル電圧計、９２…電流センサ、９５…ＦＤＣ、９６…二次電池、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、１５１…単セル、２５５…負荷、３０２…カソードガス供給路、３０６…バイパス路、３０８…カソードガス排出路、３０９…カソードガス排出路、３１０…マフラー、５０１…アノードガス供給路、５０２…アノードガス循環路、５０３…循環路、５０４…排気排水路

Claims (7)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系であって、前記燃料電池に向かうアノードガスが流通するアノードガス供給路を有するアノードガス供給系と、
    前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記アノードガス供給路に循環させるアノードガス循環系であって、前記アノードガス供給路へ向かう前記アノードオフガスが流通するアノードガス循環路と、前記アノードガス循環路に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離器と、前記アノードガス循環路内の前記アノードオフガスを前記アノードガス供給路に向かって循環させる循環ポンプと、を有するアノードガス循環系と、
    前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出するカソードガス排出路と、を有するカソードガス給排系と、
    前記気液分離器に接続された排気排水路と、
    前記排気排水路を開閉するための排気排水弁と、
    前記排気排水弁から排出される前記アノードオフガスの排気流量を取得する流量取得部と、
    前記排気排水弁が正常に開弁するか否かの正常異常判定を含む動作判定処理を実行する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、前記排気流量が、予め定めた正常基準値以上である場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していると判定し、前記排気流量が前記正常基準値よりも低い場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定することで前記正常異常判定を実行し、
    前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池システムの環境温度を取得する温度取得部を備え、
    前記制御部は、
    前記燃料電池システムの起動指示を受けた場合において、前記環境温度が氷点下である場合に、前記循環ポンプの動作を停止し、前記アノードガス供給系を制御して前記燃料電池に前記アノードガスを供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行うことで氷点下始動処理を実行し、
    前記氷点下始動処理において前記排気排水弁の開弁指示を行っている状態において、前記正常異常判定が実行され、
    前記燃料電池システムは、さらに、
    前記気液分離器に貯留された液水の量を取得する貯水量取得部を備え、
    前記制御部は、
    前記排気排水弁が正常に開弁している燃料電池システムの通常運転状態において、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が、予め定めた第１液水量以上となった場合に、前記アノードガス供給系を制御して前記アノードガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行う通常排気処理を実行し、
    前記動作判定処理において前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力は、前記通常排気処理において前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力よりも高い、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記カソードガス給排系は、さらに、前記カソードガス供給路に設けられたコンプレッサを有し、
    前記排気排水路は、前記カソードガス排出路に接続され、
    前記制御部は、前記コンプレッサの動作を制御して、前記動作判定処理において前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量を、前記通常排気処理において前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量よりも大きくする、燃料電池システム。
  3. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系であって、前記燃料電池に向かうアノードガスが流通するアノードガス供給路を有するアノードガス供給系と、
    前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記アノードガス供給路に循環させるアノードガス循環系であって、前記アノードガス供給路へ向かう前記アノードオフガスが流通するアノードガス循環路と、前記アノードガス循環路に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離器と、前記アノードガス循環路内の前記アノードオフガスを前記アノードガス供給路に向かって循環させる循環ポンプと、を有するアノードガス循環系と、
    前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出するカソードガス排出路と、を有するカソードガス給排系と、
    前記気液分離器に接続された排気排水路と、
    前記排気排水路を開閉するための排気排水弁と、
    前記排気排水弁から排出される前記アノードオフガスの排気流量を取得する流量取得部と、
    前記排気排水弁が正常に開弁するか否かの正常異常判定を含む動作判定処理を実行する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、前記排気流量が、予め定めた正常基準値以上である場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していると判定し、前記排気流量が前記正常基準値よりも低い場合には、前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定することで前記正常異常判定を実行し、
    前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池システムの環境温度を取得する温度取得部を備え、
    前記制御部は、
    前記燃料電池システムの起動指示を受けた場合において、前記環境温度が氷点下である場合に、前記循環ポンプの動作を停止し、前記アノードガス供給系を制御して前記燃料電池に前記アノードガスを供給すると共に、前記排気排水弁に開弁指示を行うことで氷点下始動処理を実行し、
    前記氷点下始動処理において前記排気排水弁の開弁指示を行っている状態において、前記正常異常判定が実行され、
    前記制御部は、
    前記動作判定処理において前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定した後に、前記燃料電池を昇温させる暖機運転を実行し、
    前記暖機運転の実行中と実行後の少なくともいずれか一方において、前記排気排水弁の動作が正常に復帰したか否かの復帰有無判定を実行し、
    前記復帰有無判定は、前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、前記排気流量が予め定めた復帰基準値以上である場合には、前記排気排水弁の動作が正常に復帰したと判定し、前記排気流量が前記復帰基準値よりも低い場合には、前記排気排水弁の動作が正常に復帰していないと判定することで実行され、
    前記復帰基準値は、前記正常基準値よりも低い値に設定されている、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であって、さらに、
    前記気液分離器に貯留された液水の量を取得する貯水量取得部を備え、
    前記制御部は、
    前記排気排水弁が正常に開弁している燃料電池システムの通常運転状態では、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が第１液水量以上になった場合に、前記制御部によって前記排気排水弁に対して開弁指示が行われる通常排気処理が実行され、
    前記排気排水弁の動作が正常に復帰する前の状態における前記燃料電池システムの復帰前状態では、前記気液分離器に貯留された前記液水の量が前記第１液水量よりも少ない第２液水量以上になった場合に、前記制御部によって前記排気排水弁に対して開弁指示が行われる復帰排気処理が実行され、
    前記制御部は、前記復帰排気処理によって前記排気排水弁に対して開弁指示を行っているときに前記復帰有無判定を実行する、燃料電池システム。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記アノードガス供給路内の圧力を計測する圧力センサを有し、
    前記流量取得部は、前記圧力センサによって計測される圧力の変化を用いて前記排気流量を算出し、
    前記制御部は、前記復帰有無判定を行う場合には、
    前記通常排気処理の実行中よりも前記燃料電池に供給する前記アノードガスの圧力を高くする第１事前処理と、
    前記通常排気処理の実行中よりも前記アノードガス循環路から前記アノードガス供給路に循環する前記アノードオフガスの流量を低くする第２事前処理と、
    前記通常排気処理の実行中よりも前記燃料電池の電流値を小さくする第３事前処理と、の少なくともいずれか一つの処理を実行する、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であって、
    前記カソードガス給排系は、前記カソードガスを前記カソードガス排出路に向けて送り出すコンプレッサを有し、
    前記排気排水路は、前記カソードガス排出路に接続され、
    前記制御部は、前記コンプレッサの動作を制御して、前記復帰有無判定のときに前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量を、前記通常排気処理において前記カソードガス排出路に流通する前記カソードガスの流量よりも大きくする、燃料電池システム。
  7. 請求項３から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記正常異常判定において前記排気排水弁が正常に開弁していないと判定してから前記復帰有無判定の実行までに、前記排気排水弁に対して開弁指示を行っている状態において、予め定めた期間における前記排気排水路から排出された前記アノードオフガスの積算量が、予め定めた基準積算量以上である場合には、前記排気流量が前記正常基準値よりも低い場合であっても前記排気排水弁が正常に開弁していると判定する、燃料電池システム。
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