JP7302565B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池スタックの水素ガス入口と水素ガス供給部とを接続する主流路と、主流路に設けられ水素ガス量を調整する燃料制御弁と、燃料電池スタックの水素ガス出口と主流路とを接続する循環路と、主流路と循環路との合流点に設けられるエジェクタとを備える水素循環装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０－０４９９１４号公報

水素循環装置において、エジェクタおよび循環路を含む水素ガスの循環系の異常を検出できる技術が望まれていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（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、アノード供給口およびアノード排出口を備える燃料電池と、前記アノード供給口に接続されているアノード供給管と、前記アノード供給管に設けられ、弁の開閉により前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給部と、前記アノード供給管における前記燃料ガス供給部と前記アノード供給口との間に備えられるエジェクタと、前記アノード排出口と前記エジェクタとを接続するアノード循環管と、前記アノード循環管に備えられ、前記アノード循環管における前記燃料ガスの循環を停止することができる循環停止部と、前記アノード供給管における前記エジェクタと前記アノード供給口との間の圧力を検出するための圧力センサと、前記燃料ガス供給部および前記循環停止部を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記圧力センサから取得した第一圧力が予め定められた下限値以下となった場合に、前記燃料ガス供給部に対して、予め定められた供給量の前記燃料ガスを供給させる一定量供給制御を実行し、前記循環停止部に対して、前記アノード循環管における前記循環を停止させる循環停止制御を実行し、前記一定量供給制御および前記循環停止制御を実行した後に前記圧力センサから取得した第二圧力を用いて、前記エジェクタおよび前記アノード循環管の異常を判定してよい。この形態の燃料電池システムによれば、一定量供給制御および循環停止制御を実行させた後に取得した第二圧力を用いることにより、エジェクタおよびアノード循環管を含むアノードガス循環系の異常を検出することができる。
（２）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記第二圧力または単位期間あたりの前記第二圧力の変化量が、予め定められた閾値と一致する場合または予め定められた圧力範囲内である場合に、前記エジェクタの異常と判定し、前記第二圧力または前記第二圧力の変化量が、前記閾値よりも小さい場合または前記圧力範囲よりも小さい場合に、前記燃料ガス供給部の閉異常と判定してよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給部によるアノードガスの供給に関する異常と、エジェクタおよびアノード循環管を含むアノードガス循環系に関する異常とを区別して検出することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記第一圧力が予め定められた上限値以上となった場合に、前記燃料ガス供給部の開異常と判定してよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給部によるアノードガスの供給に関する異常をより詳細に検出することができる。
（４）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池システムの停止、および前記燃料電池の出力制限の少なくともいずれかを含む異常措置を実行することができ、前記エジェクタの異常と判定した場合に、前記異常措置を実行せず、前記燃料ガス供給部の閉異常または前記燃料ガス供給部の開異常と判定した場合に、前記異常措置を実行してよい。この形態の燃料電池システムによれば、不必要に燃料電池システムの性能が制限されることを低減または防止することができる。
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、アノードガス流路の異常判定方法、これらの方法を実現するためのコンピュータプログラム、かかるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体等の形態で実現可能である。

燃料電池システムの構成を示す説明図。 エジェクタの内部の構成を示す概略断面図。 本実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する異常判定制御を示すフロー図。 制御装置がインジェクタの閉異常と判定する場合の一例を示すタイミングチャート。 制御装置がエジェクタに異常ありと判定する場合の一例を示すタイミングチャート。

Ａ．第１実施形態：
図１とともに図２を参照して第１実施形態としての燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池２０を駆動源とする燃料電池車両に搭載される。燃料電池システム１００は、燃料電池２０の発電電力を利用して、負荷に含まれる各種のデバイスを駆動させる。燃料電池システム１００は、燃料電池２０、制御装置６０、酸化ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、を有する。燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池２０に冷媒を循環させて燃料電池２０の温度を調節する冷媒循環系を備えてよく、燃料電池２０とともに負荷に対する電力源として機能する二次電池を備えてよい。

燃料電池２０は、電解質膜の両側にアノードとカソードとの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を有する複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２０は、水素ガスおよび空気を反応ガスとして供給されて発電する固体高分子形燃料電池であり、その発電電力を用いて負荷を駆動させる。負荷としては、例えば、燃料電池車両の駆動力を発生する駆動モータや、燃料電池車両内の空調のために用いられるヒータ等が含まれる。燃料電池２０は、アノードガスとしての水素ガスをアノードに供給するためのアノード供給口２５１と、水素ガスをアノードから排出するためのアノード排出口２５２と、酸化ガスとしての空気をカソードに供給するためのカソード供給口２３１と、空気をカソードから排出するためのカソード排出口２３２とを備えている。燃料電池２０は、固体高分子形に限らず、りん酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などの種々の方式の燃料電池であってよい。燃料電池システム１００は、燃料電池車両のほか、家庭用電源や定置発電などに用いられてもよい。

制御装置６０は、論理演算を実行するマイクロプロセッサやＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリを備えるマイクロコンピュータで構成される。制御装置６０は、マイクロプロセッサがメモリ内に記憶されているプログラムを実行することにより、燃料電池２０の発電や、後述する一定量供給制御や循環停止制御を含む燃料電池システム１００の種々の制御を実行する。

酸化ガス給排系３０は、カソードガス供給機能を有する酸化ガス供給系３０Ａと、カソードガス排出機能およびカソードガスバイパス機能を有する酸化ガス排出系３０Ｂと、を備える。カソードガス供給機能とは、燃料電池２０のカソードに、酸素を含む空気をカソードガスとして供給する機能を意味する。カソードガス排出機能とは、燃料電池２０のカソードから排出される排ガスであるカソードオフガスを外部に排出する機能を意味する。カソードガスバイパス機能とは、供給されるカソードガスの一部を、燃料電池２０に供給せず外部に排出する機能を意味する。

酸化ガス供給系３０Ａは、カソードガス供給機能を有し、燃料電池２０のカソードに、カソードガスとしての空気を供給する。酸化ガス供給系３０Ａは、カソード供給管３０２と、エアクリーナ３１と、エアコンプレッサ３３と、インタークーラ３５と、入口弁３６と、を有する。

カソード供給管３０２は、燃料電池２０のカソード供給口２３１に接続されており、燃料電池２０のカソードに対する空気の供給流路として機能する。エアクリーナ３１は、カソード供給管３０２のうちエアコンプレッサ３３よりも空気の導入口側、すなわち上流側に設けられ、燃料電池２０に供給される空気中の異物を除去する。

エアコンプレッサ３３は、カソード供給管３０２におけるエアクリーナ３１と燃料電池２０との間に設けられている。エアコンプレッサ３３は、エアクリーナ３１を通じて取り込んだ空気を圧縮してカソードに送り出す。エアコンプレッサ３３としては、例えばターボコンプレッサが用いられる。エアコンプレッサ３３は、制御装置６０によって駆動制御される。制御装置６０は、エアコンプレッサ３３の回転数を制御して、下流側への空気の送出量を調節する。制御装置６０は、エアコンプレッサ３３と、バイパス弁３９と、出口弁３７とを協働させて、燃料電池２０を流れる空気の流量や、カソード排出管３０６から排出する空気の流量を調節する。

インタークーラ３５は、カソード供給管３０２におけるエアコンプレッサ３３と、カソード供給口２３１との間に設けられている。インタークーラ３５は、エアコンプレッサ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。入口弁３６は、予め定められた圧力のカソードガスが流入したときに機械的に開く開閉弁である。入口弁３６は、燃料電池２０のカソードへのカソードガスの流入を制御する。

酸化ガス排出系３０Ｂは、カソードオフガス排出機能を有し、カソード排出管３０６と、バイパス配管３０８と、バイパス弁３９と、出口弁３７と、排ガス排出口３０９とを備える。カソード排出管３０６は、その一端が燃料電池２０のカソード排出口２３２に接続されるカソードオフガスの排出流路である。カソード排出管３０６は、カソードオフガスを含む燃料電池２０の排ガスを、カソード排出管３０６の他端である排ガス排出口３０９に導いて大気へ排出する。カソード排出管３０６から大気中に排出される排ガスには、カソードオフガスの他に、アノード排出管５０４からのアノードオフガスや、バイパス配管３０８から流出した空気が含まれる。

出口弁３７は、カソード排出管３０６におけるカソード排出口２３２近傍に設けられている。より具体的には、出口弁３７は、カソード排出管３０６において、カソード排出管３０６とバイパス配管３０８との接続位置よりも燃料電池２０側に配置されている。出口弁３７としては、例えば、電磁弁や電動弁を用いることができる。制御装置６０は、出口弁３７の開度を調整することによって、燃料電池２０のカソードの背圧を調整する。

バイパス配管３０８は、燃料電池２０を経由することなく、カソード供給管３０２とカソード排出管３０６とを接続する管路である。バイパス配管３０８には、バイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９としては、例えば電磁弁や電動弁を用いることができる。バイパス弁３９が開かれると、カソード供給管３０２を流れるカソードガスの少なくとも一部は、カソード排出管３０６に流入する。制御装置６０は、バイパス弁３９の開度を調整することによって、バイパス配管３０８に流入するカソードガスの流量を調整し、カソード排出管３０６を流動し排ガス排出口３０９から排出される空気の排出量を調整する。

燃料ガス給排系５０は、アノードガス供給機能を有する燃料ガス供給系５０Ａと、アノードガス排出機能を有する燃料ガス排出系５０Ｃと、アノードガス循環機能を有する燃料ガス循環系５０Ｂと、を備えている。アノードガス供給機能とは、燃料電池２０のアノードに、燃料ガスを含むアノードガスを供給する機能を意味する。アノードガス排出機能とは、燃料電池２０のアノードから排出される排ガスであるアノードオフガスを外部に排出する機能を意味する。アノードガス循環機能とは、水素を含むアノードオフガスを燃料電池システム１００内において循環させる機能を意味する。

燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池２０のアノードにアノードガスとしての水素を供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、アノード供給管５０１と、燃料ガスタンク５１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクタ５４と、圧力センサ５９とを備えている。

アノード供給管５０１は、アノードガスの供給源である燃料ガスタンク５１と、燃料電池２０のアノード供給口２５１とを接続している。燃料ガスタンク５１は、例えば、１０～７０ＭＰａの高圧な水素を収容する貯蔵容器である。アノード供給管５０１は、燃料電池２０のアノードに水素を導く。開閉弁５２は、アノード供給管５０１において燃料ガスタンク５１の出口近傍に設けられている。開閉弁５２は、開弁状態において燃料ガスタンク５１の水素を下流側へと流通させる。開閉弁５２は、制御装置６０からの制御信号に従って、開度を変更することが可能な電動弁や電磁弁であり、下流側に供給する水素の供給量を調整することができる。レギュレータ５３は、減圧弁であり、アノード供給管５０１において開閉弁５２よりも燃料電池２０に近い下流側に設けられている。レギュレータ５３は、制御装置６０の制御によって、インジェクタ５４よりも上流側における水素の圧力を調整し、例えば、数ＭＰａ程度にまで減圧する。

インジェクタ５４は、アノード供給管５０１における開閉弁５２よりも下流側に設けられている。インジェクタ５４は、弁の開閉により燃料電池２０に供給するアノードガスの供給量を調節する燃料ガス供給部として機能する。より具体的には、インジェクタ５４は、制御装置６０によって制御され、設定された駆動周期や開弁時間に応じて開閉弁を電磁的に駆動してアノードガスの供給量を調節する。インジェクタ５４が下流側に水素を供給すると、アノード供給管５０１、燃料電池２０のアノード、およびアノード循環管５０２の内圧は上昇する。インジェクタ５４では、例えば、異物の混入等により、内部の電磁弁を少なくとも一時的に閉弁できなくなる異常（以下、「開異常」とも呼ぶ）や、電磁弁を少なくとも一時的に開弁できなくなる異常（以下、「閉異常」とも呼ぶ）が発生することがある。インジェクタ５４の開異常が発生すると、例えば、水素が燃料電池２０に供給され続けることによってアノード供給管５０１の内圧は上昇し続ける不具合が起こり得る。インジェクタ５４の閉異常が発生すると、例えば、水素が燃料電池２０に充分に供給できないといった不具合が起こり得る。この場合において、燃料電池２０の発電による水素の消費等によってアノード供給管５０１の内圧は減少し続ける。

圧力センサ５９は、アノード供給管５０１におけるエジェクタ７０と、アノード供給口２５１との間に設けられている。圧力センサ５９は、エジェクタ７０の下流側でアノード供給管５０１の内圧を取得し、制御装置６０に出力する。

燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池２０のアノードから排出されるアノードオフガスを、気体成分と液体成分とを分離したうえでアノード供給管５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、アノード循環管５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、エジェクタ７０と、を有する。

アノード循環管５０２は、アノードから排出されるアノードオフガスをアノード供給管５０１へと導く。アノード循環管５０２の一端は、燃料電池２０のアノード排出口２５２に接続され、他端は、エジェクタ７０に接続されている。アノード循環管５０２には、気液分離器５７と、循環ポンプ５５とが備えられている。

気液分離器５７は、アノード循環管５０２に設けられ、水蒸気や窒素、ならびにアノードガスとしての水素を含むアノードオフガスを、気体成分と液体成分とに分離し、液体成分を貯留する。気液分離器５７は、アノード循環管５０２における循環ポンプ５５とアノード排出口２５２との間に配置されている。

循環ポンプ５５は、アノード循環管５０２における気液分離器５７と、アノード供給管５０１との間に設けられている。循環ポンプ５５は、制御装置６０によって駆動制御されるモータ５６を備えている。循環ポンプ５５は、モータ５６の駆動により、アノード循環管５０２に流入したアノードオフガスを、アノード排出口２５２からエジェクタ７０に向かう方向に送出する。本実施形態では、循環ポンプ５５は、モータ５６の停止によってアノード供給管５０１内のアノードガスの循環を停止させる循環停止部としても機能する。インジェクタ５４およびエジェクタ７０によってアノードガスが充分に循環される場合には、循環ポンプ５５は省略されてもよい。この場合において、燃料電池システム１００は、例えば、循環ポンプ５５に代えて、制御装置６０によって制御可能な開閉弁を備えてよい。開閉弁は、制御装置６０の制御によって閉弁することでアノード供給管５０１内のアノードガスの循環を停止させる循環停止部として機能する。

エジェクタ７０は、アノード供給管５０１におけるインジェクタ５４とアノード供給口２５１との間に設けられている。エジェクタ７０は、インジェクタ５４によるアノードガスの噴射によって発生する負圧を利用して、アノード循環管５０２のアノードオフガスを吸入する。エジェクタ７０は、吸入したアノード循環管５０２のアノードオフガスを、インジェクタ５４から供給されるアノードガスとともに燃料電池２０に流通させる。エジェクタ７０は、アノード循環管５０２のアノードオフガスを吸入するための作動流体として、燃料ガスタンク５１に貯蔵される水素の圧力を利用する。換言すれば、燃料ガスタンク５１に水素ガスを圧縮充填する際のエネルギをアノードガスの循環に利用する。これにより、水素を昇圧する機構を備えることなく、アノード循環管５０２のアノードガスを吸入し、アノード供給管５０１に循環させることができる。このように構成された燃料電池システム１００によれば、循環ポンプ５５の負荷を軽減することができ、循環ポンプ５５における消費電力を低減することができる。また、循環ポンプ５５を省略または小型化することができる。

燃料ガス排出系５０Ｃは、アノードオフガスや気液分離器５７に貯留された液水を外部へと排出する。燃料ガス排出系５０Ｃは、アノード排出管５０４と、排気排水弁５８と、を有する。アノード排出管５０４の一端は、アノード循環管５０２における循環ポンプ５５と、アノード排出口２５２との間に接続されている。本実施形態では、アノード排出管５０４の一端は、気液分離器５７の排出口に接続されている。アノード排出管５０４の他端は、カソード排出管３０６におけるカソード排出口２３２と、排ガス排出口３０９との間に接続されている。アノード排出管５０４は、気液分離器５７からの排水と、気液分離器５７内を通過するアノードオフガスの一部とを燃料ガス給排系５０から排出する。

排気排水弁５８は、アノード排出管５０４に設けられ、アノード排出管５０４の流路を開閉する。排気排水弁５８としては、例えば、ダイヤフラム弁を用いることができる。排気排水弁５８は、制御装置６０によって開閉制御される。本実施形態において、排気排水弁５８が開かれると、気液分離器５７に貯留された液水とアノードオフガスとが、カソード排出管３０６を通じて大気中へ排出される。

図２は、エジェクタ７０の内部の構成を示す概略断面図である。エジェクタ７０は、ノズル７２と、吸入口７６と、吸入室７８と、ディフューザ７４とを内部に備えている。ノズル７２は、インジェクタ５４の下流側において、アノード供給管５０１と接続されている。ノズル７２の先端には、アノードガスを噴射するための開口である吐出口７２２が形成されている。ノズル７２は、吸入室７８に配置されている。吸入室７８は、ノズル７２周囲に負圧を形成させるための空間を規定している。吸入室７８には、アノード循環管５０２のアノードオフガスを吸入するための吸入口７６が備えられている。吸入口７６にはアノード循環管５０２が接続されている。インジェクタ５４から供給されるアノードガスは、ノズル７２先端の吐出口７２２から噴射される。吐出口７２２からのアノードガスの噴射によって吸入室７８に発生する負圧を利用して、アノード循環管５０２のアノードオフガスは吸入口７６から吸入される。

ディフューザ７４は、ノズル７２の下流側におけるアノードガスの流路である。ディフューザ７４の流路の先端には、燃料電池２０のアノード供給口２５１に接続されたアノード供給管５０１が接続されている。ディフューザ７４の上流側の流路は、断面積が下流側に向かうにしたがって次第に狭くなるように形成され、下流側の流路は、先端に向かうにしたがって次第に広くなるように形成されている。ディフューザ７４は、内部を流通する混合気の流速を減少させ、その運動エネルギを圧力に変換する。より具体的には、ディフューザ７４の上流側では、インジェクタ５４から供給されるアノードガスと、アノード循環管５０２から吸引されるアノードオフガスとが混合され、ディフューザ７４の下流側では、混合された流体が圧縮されて昇圧される。

例えば、燃料電池システム１００が低温環境下に曝されると、アノード循環管５０２から吸引されるアノードオフガスに含まれる水分等が吐出口７２２の近傍やディフューザ７４を通過する際に冷却されて凍結することがある。ディフューザ７４や吸入室７８などのエジェクタ７０内の流路で凍結が発生すると、吸入室７８内の負圧が生成されにくくなり得る。その結果、エジェクタ７０は、インジェクタ５４から供給されるアノードガスを燃料電池２０に供給できるものの、アノード循環管５０２のアノードオフガスを吸入できず充分に循環させることができなくなる。アノードオフガスがアノード供給管５０１に循環されにくくなることによって、エジェクタ７０の下流側のアノード供給管５０１の圧力は、インジェクタ５４によるアノードガスの供給とエジェクタ７０によるアノードオフガスの循環とを含む正常時での圧力に対してアノードオフガスの循環量が失われる分だけ減少する。

図３は、本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置６０が実行する異常判定制御を示すフロー図である。本フローは、例えば、燃料電池システム１００が運転を開始することにより開始する。本フローは、例えば、数ｓｅｃ．ごとなどの予め定められた期間ごとに繰り返し実行されてよい。燃料電池システム１００が循環ポンプ５５を備える場合には、本フローを実行する時点において、例えば、循環ポンプ５５の異常の判定は完了しており、循環ポンプ５５は正常に稼働する。

ステップＳ１０では、制御装置６０は、圧力センサ５９から第一圧力Ｐ１を取得する。ステップＳ２０では、制御装置６０は、第一圧力Ｐ１が予め定められた管理範囲内であるか否かを判定する。予め定められた管理範囲とは、燃料電池システム１００の正常時において示し得るアノード供給管５０１の内圧の範囲を意味し、例えば、工程能力の管理規格を用いて設定することができる。本実施形態では、管理範囲は、低圧側の異常を検知するための下限値ＬＳＬと、高圧側の異常を検知するための上限値ＵＳＬとを用いて設定されている。上限値ＵＳＬは、燃料電池システム１００の各部に損傷を与え得る圧力値よりも充分に低い圧力値で設定されることが好ましい。下限値ＬＳＬは、例えば、燃料電池２０へのアノードガスの供給不足となり得る圧力値よりも高い圧力値で設定されていることが好ましい。制御装置６０は、第一圧力Ｐ１が下限値ＬＳＬよりも大きく上限値ＵＳＬよりも小さい場合に、第一圧力Ｐ１が予め定められた管理範囲内であると判定し（Ｓ２０：ＬＳＬ＜Ｐ１＜ＵＳＬ）、本フローを終了する。

第一圧力Ｐ１が上限値ＵＳＬ以上である場合（Ｓ２０：ＵＳＬ≦Ｐ１）、制御装置６０は、ステップＳ４０に移行し、インジェクタ５４の開異常と判定する。ステップＳ４２では、制御装置６０は、インジェクタ５４の開異常に対応する異常措置を実行する。インジェクタ５４の開異常に対応する異常措置には、例えば、開閉弁５２を閉弁させて燃料ガスタンク５１からのアノードガスの供給を停止すること、アノード供給管５０１を減圧すること、ならびに燃料電池システム１００の緊急停止等が含まれる。ステップＳ４４では、制御装置６０は、燃料電池システム１００の使用者や管理者、ならびに燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両の運転者や管理者等に、インジェクタ５４に開異常がある旨を報知する。報知する方法としては、例えば、燃料電池システム１００や燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両に備えられるディスプレイへの表示や、スピーカから出力される音声が用いられてよく、ネットワークを介したデータ通信などを用いて離れた管理者等に伝達されてもよい。インジェクタ５４の開異常の報知のほか、燃料電池システム１００の停止や燃料電池車両の停止を促すための報知を行ってもよい。ステップＳ４４の報知を終えると、制御装置６０は、処理を終了する。

ステップＳ２０において、第一圧力Ｐ１が下限値ＬＳＬ以下である場合（Ｓ２０：Ｐ１≦ＬＳＬ）、制御装置６０は、ステップＳ３０に移行する。制御装置６０は、以下に示すステップＳ３０以降のフロー（以下、「異常判定」とも呼ぶ）において、インジェクタ５４によるアノードガスの供給に関する異常と、エジェクタ７０およびアノード循環管５０２を含む燃料ガス循環系５０Ｂの異常とのいずれであるかの判定を開始する。なお、以下の異常判定では、排気排水弁５８は閉弁された状態で実行される。異常判定において、燃料電池２０の出力は制限されない。ただし、異常判定の精度をより向上させる観点から、異常判定中に燃料電池２０の出力を制限させてもよく、燃料電池２０の発電を停止させてもよい。

ステップＳ３０では、制御装置６０は、インジェクタ５４によるアノードガスの供給量を、予め定められた供給量に設定する一定量供給制御を実行する。制御装置６０は、例えば、インジェクタ５４の開閉弁を、当該予め定められた供給量に対応する駆動周期や開弁時間で駆動させることにより、アノードガスの供給量を一定量に調節する。本実施形態では、制御装置６０は、この予め定められた供給量を、燃料電池２０に要求される電力を発電するために必要なアノードガスの供給量で設定する。すなわち、一定量供給制御によってインジェクタ５４から燃料電池２０に供給されるアノードガスの供給量と、燃料電池２０の発電によるアノードガスの消費量とが略一致する。なお、制御装置６０は、後述のステップＳ３２においてアノードガスの循環を停止させる観点から、インジェクタ５４によるアノードガスの供給量を、ステップＳ３２による循環停止によって発生する燃料電池２０へのアノードガスの供給量の減少分を補填できる程度に大きくなるように設定する。一定量供給制御における予め定められた供給量は、燃料電池２０の要求発電電力に基づいた設定には限定されず、任意に設定されてもよい。例えば、当該予め定められた供給量は、燃料電池２０の要求発電電力に対応するアノードガスの供給量よりも大きい供給量で設定されてもよい。このように構成された燃料電池システム１００によれば、アノード供給管５０１の内圧が下限値ＬＳＬよりも大きい状態で異常判定を実行することができるので、燃料電池システム１００の各部が低圧環境に曝されることを低減することができる。

ステップＳ３２では、制御装置６０は、循環ポンプ５５に対して、アノードガスの循環を停止させる循環停止制御を実行する。より具体的には、制御装置６０は、循環ポンプ５５のモータ５６を停止させることによって循環ポンプ５５を停止し、アノード循環管５０２におけるアノードオフガスの流動を停止させる。これにより、アノード供給管５０１には、一定量供給制御によりインジェクタ５４から一定の供給量で供給されるアノードガスのみが流通され得る。

ステップＳ３４では、制御装置６０は、圧力センサ５９から第二圧力Ｐ２を取得する。第二圧力Ｐ２とは、異常判定を実施している期間内でのアノード供給管５０１の内圧を意味する。異常判定中に燃料電池２０が発電を行う場合には、第二圧力Ｐ２は、燃料電池２０の発電に伴うアノードガスの消費によって減少し得る。本実施形態において、制御装置６０は、予め定められた期間において第二圧力Ｐ２を複数回取得する。ステップＳ３６では、制御装置６０は、取得した複数の第二圧力Ｐ２を用いて、単位期間あたりの第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰを算出する。

ステップＳ３８では、制御装置６０は、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰと、予め定められた圧力範囲ＰＴとを比較する。圧力範囲ＰＴは、例えば、一定量供給制御によりインジェクタ５４から供給されるアノードガスによる増圧と、燃料電池２０の発電に伴うアノードガスの消費による減圧とを考慮した圧力の変化量を用いて設定することができる。本実施形態では、一定量供給制御におけるインジェクタ５４からのアノードガスの供給量と、燃料電池２０の発電によるアノードガスの消費量とが略一致することから、圧力範囲ＰＴは、ゼロを中間値として、さらに、圧力センサ５９による測定誤差と、インジェクタ５４からのアノードガスの供給量の誤差に基づく下限値ＰＴＬから上限値ＰＴＵまでの範囲が設定されている。圧力範囲ＰＴは、ゼロを中間値として設定される場合に限らず、例えば、一定量供給制御において、燃料電池２０の要求発電に必要なアノードガスの供給量よりも大きい供給量が供給される場合には、当該供給量による増圧に対応するゼロよりも大きい値を中間値として設定されてもよい。

ステップＳ３８において、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰが圧力範囲ＰＴよりも大きい場合、すなわち本実施形態において、変化量ＣＰが上限値ＰＴＵよりも大きい場合（Ｓ３８：ＰＴＵ＜ＣＰ）、制御装置６０は、ステップＳ７０に移行し、エジェクタ７０およびインジェクタ５４が正常であると判断し、処理を完了する。変化量ＣＰが上限値ＰＴＵよりも大きくなる場合には、例えば、第一圧力Ｐ１が、下限値ＬＳＬに到達した後、エジェクタ７０内の凍結やインジェクタ５４の閉異常が解消することによって再上昇する場合等が含まれる。

ステップＳ３８において、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰが圧力範囲ＰＴ未満である場合、すなわち本実施形態において変化量ＣＰが下限値ＰＴＬよりも小さい場合（Ｓ３８：ＣＰ＜ＰＴＬ）、制御装置６０は、ステップＳ５０に移行し、インジェクタ５４に閉異常ありと判定する。ステップＳ５２では、制御装置６０は、インジェクタ５４の閉異常に対応する異常措置を実行する。インジェクタ５４の閉異常に対応する異常措置には、例えば、燃料電池２０の出力電力を正常時での要求電力よりも低減させる出力制限等が含まれる。ステップＳ５４では、制御装置６０は、ステップＳ４４と同様に、燃料電池システム１００の使用者等に対して、インジェクタ５４の閉異常を報知する。ステップＳ５４を終えると、制御装置６０は、処理を終了する。

ステップＳ３８において、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰが圧力範囲ＰＴ内である場合、すなわち本実施形態において変化量ＣＰが下限値ＰＴＬ以上かつ上限値ＰＴＵ以下である場合（Ｓ３８：ＰＴＬ≦ＣＰ≦ＰＴＵ）、制御装置６０は、ステップＳ６０に移行し、エジェクタ７０に異常ありと判定する。制御装置６０は、エジェクタ７０およびアノード循環管５０２を含む燃料ガス循環系５０Ｂに異常ありと判定してもよい。エジェクタ７０の異常には、例えば、ディフューザ７４などのエジェクタ７０内の流路における液水の凍結等が含まれる。

ステップＳ６２では、制御装置６０は、ステップＳ４４などと同様に、燃料電池システム１００の使用者等にエジェクタ７０に異常がある旨を報知する。なお、ステップＳ６０においてエジェクタ７０に異常ありと判定された場合では、制御装置６０は、ステップＳ４２やステップＳ５２のような異常措置を実行しない。これは、ディフューザ７４の凍結などエジェクタ７０内の流路に異常があった場合には、アノード循環管５０２からアノード供給管５０１へのアノードオフガスの循環量は減少するものの、インジェクタ５４から供給されエジェクタ７０を通過し燃料電池２０へと供給されるアノードガスの供給量は減少しないことに基づく。ただし、制御装置６０は、例えば、循環量の不足を補填するためにインジェクタ５４による水素の供給量を増加させる制御や、燃料電池２０の出力を低減させる制御等の異常措置を実行してもよく、循環ポンプ５５の回転数を大きくするなど、アノードオフガスの循環量を大きくするための異常措置を実行してもよい。

図４は、制御装置６０がインジェクタ５４の閉異常と判定する場合の一例を示すタイミングチャートである。図４の最上段には、時間に対するアノード供給管５０１の内圧の変化を示すグラフが示されている。当該グラフの下側には、制御装置６０によるインジェクタ５４の一定量供給制御のオン・オフと、循環ポンプ５５のモータ５６を停止させる循環停止制御のオン・オフと、制御装置６０による異常措置のオン・オフとが示されている。

時間ｔ０において、インジェクタ５４の閉異常が発生すると、インジェクタ５４は開弁できず、燃料電池２０へのアノードガスの供給量が低減することから、第一圧力Ｐ１は減少し始める。第一圧力Ｐ１は、時間ｔ１において、下限値ＬＳＬに到達する。時間ｔ１では、制御装置６０は、インジェクタ５４と循環ポンプ５５とに制御信号を送信し、インジェクタ５４の一定量供給制御と、循環ポンプ５５の循環停止制御とを開始する。図４に示すように、インジェクタ５４は閉異常であることから、一定量供給制御の制御信号をインジェクタ５４が受け付けたとしても開弁できず、時間ｔ１以降も第二圧力Ｐ２は低下する。

制御装置６０は、一定量供給制御と循環停止制御とを開始してから予め定められた期間において、第二圧力Ｐ２を複数回取得する。予め定められた期間を経過した時間ｔ２において、制御装置６０は、取得した複数の第二圧力Ｐ２を用いて第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰを算出する。図４に示すように、変化量ＣＰが下限値ＰＴＬ未満であるため、時間ｔ２において、制御装置６０は、インジェクタ５４に閉異常ありと判定する。制御装置６０は、インジェクタ５４の閉異常に対応する異常措置として、例えば、燃料電池２０の出力電力を正常時での要求電力よりも低減させる。制御装置６０は、異常措置とともに、インジェクタ５４に閉異常がある旨の報知を燃料電池システム１００の使用者等に報知する。

図５は、制御装置６０がエジェクタ７０に異常ありと判定する場合の一例を示すタイミングチャートである。図５に示す各項目は、図４に示す各項目と共通する。時間ｔ３において、例えば、ディフューザ７４に液水の凍結が発生するなどのエジェクタ７０およびアノード循環管５０２での異常が発生すると、アノードオフガスがアノード供給管５０１に充分に循環されない。その結果、第一圧力Ｐ１は、アノードオフガスの循環量が低下する分だけ減少し始める。時間ｔ４において、第一圧力Ｐ１は下限値ＬＳＬに到達する。時間ｔ４では、制御装置６０は、インジェクタ５４と循環ポンプ５５とに制御信号を送信し、インジェクタ５４の一定量供給制御と、循環ポンプ５５の循環停止制御とを開始する。

制御装置６０は、第二圧力Ｐ２を複数取得して、時間ｔ５において、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰを算出する。図５に示すように、一定量供給制御によるインジェクタ５４からのアノードガスの供給量は、燃料電池２０の発電によるアノードガスの消費量と一致することにより、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰは、略ゼロを示す。制御装置６０は、変化量ＣＰが下限値ＰＴＬ以上、上限値ＰＴＵ以下の範囲内であることから、エジェクタ７０に異常ありと判定する。制御装置６０は、異常措置を実行することなく、燃料電池システム１００の使用者等にエジェクタ７０に異常がある旨の報知を行う。

以上、説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、第一圧力Ｐ１が予め定められた下限値ＬＳＬ以下となった場合に、インジェクタ５４に対して、予め定められた供給量のアノードガスを供給する一定量供給制御を実行させ、循環ポンプ５５に対して、アノード循環管５０２における循環を停止する循環停止制御を実行させる。エジェクタ７０およびアノード循環管５０２を含む燃料ガス循環系５０Ｂに異常が発生した場合、アノードオフガスの循環量は減少するものの、インジェクタ５４による燃料電池２０への供給量は減少しにくい。したがって、一定量供給制御および循環停止制御を実行した状態の第二圧力Ｐ２を用いることによって、エジェクタ７０およびアノード循環管５０２を含む燃料ガス循環系５０Ｂの異常を判定することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰが予め定められた圧力範囲ＰＴ内である場合には、エジェクタ７０の異常と判定し、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰが、圧力範囲ＰＴよりも小さい場合には、インジェクタ５４の閉異常と判定する。したがって、インジェクタ５４によるアノードガスの供給に関する異常と、エジェクタ７０およびアノード循環管５０２によるアノードガスの循環に関する異常とを区別して検出することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、第一圧力Ｐ１が上限値ＵＳＬ以上となった場合に、インジェクタ５４の開異常と判定する。したがって、インジェクタ５４によるアノードガスの供給に関する異常をより詳細に検出することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、インジェクタ５４の閉異常または開異常と判定した場合に、燃料電池２０へのアノードガスの供給停止、アノード供給管５０１の減圧、燃料電池システム１００の緊急停止、ならびに燃料電池２０の出力電力の低減等の異常措置を実行する。制御装置６０は、エジェクタ７０およびアノード循環管５０２の異常と判定した場合には異常措置を実行しない。エジェクタ７０およびアノード循環管５０２による循環系の異常のように燃料電池２０にアノードガスを供給することができ燃料電池２０の発電電力が得られるような場合にまで異常措置が実行され、燃料電池２０の出力が制限されることを低減または防止することができる。したがって、不必要に燃料電池システム１００の性能を制限することを低減または防止することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、循環ポンプ５５は、制御装置６０によってモータ５６が停止されることにより、アノード供給管５０１内のアノードオフガスの循環を停止させる。これに対して、循環ポンプ５５は、制御装置６０によって、例えばモータ５６を逆転方向に回転駆動されることにより、アノード供給管５０１内の水素を、アノード供給管５０１からアノード排出口２５２に向かう方向に送出することによって、アノード供給管５０１へのアノードオフガスの循環を停止させてもよい。このように構成された燃料電池システム１００によれば、循環停止制御において、アノードオフガスがアノード供給管５０１に循環されることをより確実に停止させることができる。このような効果は、例えば、アノード循環管５０２を流動するアノードガスがモータ５６を停止している循環ポンプ５５を通り抜けてしまうような場合に特に有効となる。循環ポンプ５５の回転方向は、例えば、モータ５６が三相誘導の電動機である場合には、二相のコイルの電流の流れる順序を入れ替えることによって切り替えることができる。循環ポンプ５５によるガスの送出方向の切り替えは、モータ５６の回転方向を利用するほか、循環ポンプ５５の設置方向の切り替えや、循環ポンプ５５内の流路の切り替えなどによって実現されてもよい。

（Ｂ２）上記実施形態では、異常判定において、制御装置６０は、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰを用いる。これに対して、制御装置６０は、異常判定において、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰに代えて第二圧力Ｐ２を用いてもよい。この場合において、制御装置６０は、例えば、異常判定を開始してから予め定められた期間を経過した時点で、第二圧力Ｐ２と、予め定められた閾値とを比較する。閾値は、例えば、一定量供給制御によりインジェクタ５４から供給されるアノードガスによる増圧と、燃料電池２０の発電に伴うアノードガスの消費による減圧とを考慮した圧力を用いて設定することができる。例えば、一定量供給制御におけるインジェクタ５４からのアノードガスの供給量と、燃料電池２０の発電によるアノードガスの消費量とが略一致する場合には、閾値は、異常判定開始時点やステップＳ３４で取得した第二圧力Ｐ２と同一の圧力で設定されてよい。閾値は、異常判定開始時点やステップＳ３４で取得した第二圧力Ｐ２と同一の圧力に限らず、例えば、一定量供給制御において、燃料電池２０の要求発電に必要なアノードガスの供給量よりも大きい供給量が供給される場合には、当該供給量による増圧に対応する値を用いて設定されてもよい。閾値は、圧力センサ５９による測定誤差や、インジェクタ５４によるアノードガスの供給量の誤差を考慮して、下限値から上限値までの範囲を設定されていることが好ましい。第二圧力Ｐ２が閾値と一致する場合、制御装置６０は、エジェクタ７０に異常ありと判定する。第二圧力Ｐ２が閾値と一致する場合としては、第二圧力Ｐ２が閾値と完全に一致する状態のほか、第二圧力Ｐ２の変化量ＣＰが当該予め定められた範囲、すなわち下限値から上限値までの範囲内である状態を含む。この場合において、第二圧力Ｐ２が閾値未満である場合とは、第二圧力Ｐ２が閾値の下限値よりも小さい場合を意味する。第二圧力Ｐ２が閾値未満である場合、制御装置６０は、インジェクタ５４に閉異常ありと判定する。第二圧力Ｐ２が閾値よりも大きい場合とは、第二圧力Ｐ２が閾値の上限値よりも大きい場合を意味する。第二圧力Ｐ２が上限値よりも大きい場合、制御装置６０は、エジェクタ７０およびインジェクタ５４が正常であると判断し、処理を完了する。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…燃料電池、３０…酸化ガス給排系、３０Ａ…酸化ガス供給系、３０Ｂ…酸化ガス排出系、３１…エアクリーナ、３３…エアコンプレッサ、３５…インタークーラ、３６…入口弁、３７…出口弁、３９…バイパス弁、５０…燃料ガス給排系、５０Ａ…燃料ガス供給系、５０Ｂ…燃料ガス循環系、５０Ｃ…燃料ガス排出系、５１…燃料ガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクタ、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、７０…エジェクタ、７２…ノズル、７４…ディフューザ、７６…吸入口、７８…吸入室、１００…燃料電池システム、２３１…カソード供給口、２３２…カソード排出口、２５１…アノード供給口、２５２…アノード排出口、３０２…カソード供給管、３０６…カソード排出管、３０８…バイパス配管、３０９…排ガス排出口、５０１…アノード供給管、５０２…アノード循環管、５０４…アノード排出管、７２２…吐出口

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   アノード供給口およびアノード排出口を備える燃料電池と、
   前記アノード供給口に接続されているアノード供給管と、
   前記アノード供給管に設けられ、弁の開閉により前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給量を調節する燃料ガス供給部と、
   前記アノード供給管における前記燃料ガス供給部と前記アノード供給口との間に備えられるエジェクタと、
   前記アノード排出口と、前記エジェクタとを接続するアノード循環管と、
   前記アノード循環管に備えられ、前記アノード循環管における前記燃料ガスの循環を停止することができる循環停止部と、
   前記アノード供給管における前記エジェクタと前記アノード供給口との間の圧力を検出するための圧力センサと、
   前記燃料ガス供給部および前記循環停止部を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧力センサから取得した第一圧力が予め定められた下限値以下となった場合に、
   前記燃料ガス供給部に対して、予め定められた供給量の前記燃料ガスを供給させる一定量供給制御を実行し、前記循環停止部に対して、前記アノード循環管における前記循環を停止させる循環停止制御を実行し、
   前記一定量供給制御および前記循環停止制御を実行した後に前記圧力センサから取得した第二圧力を用いて、前記エジェクタおよび前記アノード循環管の異常を判定する、
   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、
   前記制御装置は、
   前記第二圧力が予め定められた閾値と一致する場合、または単位期間あたりの前記第二圧力の変化量が予め定められた圧力範囲内である場合に、前記エジェクタの異常と判定し、
   前記第二圧力が前記閾値よりも小さい場合、または前記第二圧力の変化量が前記圧力範囲よりも小さい場合に、前記燃料ガス供給部の閉異常と判定する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記第一圧力が予め定められた上限値以上となった場合に、前記燃料ガス供給部の開異常と判定する、
   燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池システムの停止、および前記燃料電池の出力制限の少なくともいずれかを含む異常措置を実行することができ、
   前記エジェクタの異常と判定した場合に、前記異常措置を実行せず、
   前記燃料ガス供給部の閉異常または前記燃料ガス供給部の開異常と判定した場合に、前記異常措置を実行する、
   燃料電池システム。
5. 燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池のアノード供給口に接続され、エジェクタを備えるアノード供給管の圧力が予め定められた下限値以下となった場合に、
   前記燃料電池のアノード排出口と前記エジェクタとを接続するアノード循環管における流体の循環を停止する循環停止制御を実行するとともに、予め定められた供給量の燃料ガスを前記燃料電池に供給する一定量供給制御を実行し、
   前記一定量供給制御および前記循環停止制御を実行した後の前記アノード供給管の圧力を用いて、前記エジェクタおよび前記アノード循環管の異常を判定する、
   燃料電池システムの制御方法。

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