JP2022170069A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素濃度を精度良く推定することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御部は、排気排水弁を開弁し、所定の濃度の水素を外部へ排気したときの時間と前記水素の温度との相関を示す第１データ群及び時間と前記水素の圧力との相関を示す第２データ群を予め記憶し、前記排気排水弁を開弁したときに、圧力センサで測定した圧力の変化から、前記第２データ群を参照して燃料オフガスの排気中か水分の排水中かを判定し、前記排気中と判定したときに、温度センサで測定した温度の変化の傾きから、前記第１データ群を参照して前記燃料オフガス中の水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池（ＦＣ）は、１つの単セル（以下、セルと記載する場合がある）又は複数の単セルを積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）で構成され、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ、以下単に拡散層と記載する場合がある）が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ_２）は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。

燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、システムの大型化を招くことなく、またコストを抑えながら燃料ガス濃度変化を確実、且つ高速に検出することができ、燃料ガス循環経路内の状況に応じて的確にパージ制御を行うことが可能な燃料電池システムが開示されている。

特許文献２では、水素循環系の不純物ガス濃度を精度よく推定し、パージ量を減少するとともに循環ポンプの駆動エネルギーを節約し、燃料電池システムの燃費効率を向上させる燃料電池システムの制御装置が開示されている。

特開２００５－３０２４５６号公報 特開２００７－０１２５３２号公報

循環流路を含む燃料ガス系を備える燃料電池システムでは、燃料ガスである水素を循環させることによって燃料ガスが循環する流路内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、水素分圧が次第に降下していく。したがって循環流路内の水素濃度の管理が重要である。
上記特許文献１以外にも、水素濃度センサで直接水素濃度を測定することも候補として挙げられるが、上記特許文献１の技術も含め、いずれも水の影響を受けやすく誤検知の懸念がある。また気液分離器内のガスのスペースにそれらのセンサを設置することも候補として挙げられるが、結露水による影響で誤検知の虞がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、水素濃度を精度良く推定することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。

本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
前記循環流路に配置され、且つ、前記燃料オフガスと水分を分離して回収する気液分離器と、
前記気液分離器と接続する燃料オフガス排出流路と、
前記燃料オフガス排出流路に配置される排気排水弁と、
前記排気排水弁に備えられた温度センサと、
前記燃料ガス供給流路及び前記循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一種の流路に配置される圧力センサと、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記排気排水弁を開弁し、所定の濃度の前記水素を外部へ排気したときの時間と前記水素の温度との相関を示す第１データ群及び時間と前記水素の圧力との相関を示す第２データ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記排気排水弁を開弁したときに、前記圧力センサで測定した圧力の変化から、前記第２データ群を参照して前記燃料オフガスの排気中か前記水分の排水中かを判定し、
前記制御部は、前記排気中と判定したときに、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きから、前記第１データ群を参照して前記燃料オフガス中の水素濃度を推定することを特徴とする。

本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記排気中と判定したときに、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きが、前記第１データ群を参照して所定の温度変化傾き閾値よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の前記温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、前記水素濃度の異常として検知してもよい。

本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の前記温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、前記圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、前記第２データ群を参照して所定の圧力変化傾き閾値よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の前記圧力変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、前記排気排水弁の詰まりとして検知し、
前記制御部は、前記圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の前記圧力変化傾き閾値以上であると判定したときに、前記水素濃度の異常として検知してもよい。

本開示の燃料電池システムによれば、水素濃度を精度良く推定することができる。

図１は正常時の水素濃度の場合と異常時の水素濃度の場合のそれぞれの場合の時間と温度との関係の一例を示す図である。 図２は正常時の水素濃度の場合と異常時の水素濃度の場合のそれぞれの場合の時間と圧力との関係の一例を示す図である。 図３は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 図４は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。

本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
前記循環流路に配置され、且つ、前記燃料オフガスと水分を分離して回収する気液分離器と、
前記気液分離器と接続する燃料オフガス排出流路と、
前記燃料オフガス排出流路に配置される排気排水弁と、
前記排気排水弁に備えられた温度センサと、
前記燃料ガス供給流路及び前記循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一種の流路に配置される圧力センサと、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記排気排水弁を開弁し、所定の濃度の前記水素を外部へ排気したときの時間と前記水素の温度との相関を示す第１データ群及び時間と前記水素の圧力との相関を示す第２データ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記排気排水弁を開弁したときに、前記圧力センサで測定した圧力の変化から、前記第２データ群を参照して前記燃料オフガスの排気中か前記水分の排水中かを判定し、
前記制御部は、前記排気中と判定したときに、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きから、前記第１データ群を参照して前記燃料オフガス中の水素濃度を推定することを特徴とする。

循環流路を含む燃料ガス系において水素濃度の異常・エジェクタの故障を検知したいというニーズがあるが、エジェクタは構造物で操作量指示もなければ応答もない。最終的には、水素濃度が不足し、燃料電池の電圧が低下することを電圧センサの電圧値をモニタリングすることで水素濃度の異常を検知できるが、システムの簡素化のために電圧モニタリングを行わない場合は異常を検知することができない。
水素濃度の異常を検知する既存技術としては、水素濃度センサを燃料ガス系に配置して水素濃度を直接計測する方法があるが、この場合は、水素濃度センサが水の影響を受けやすく誤検知の懸念があり、搭載性が悪化し、コストが高くなる。
また、水素濃度センサを気液分離器に配置する既存技術があるが、気液分離率が１００％ではないため、１００％水を避けることはできず、結露水による誤検知の可能性もあり、水による誤検知を完全に防ぐことはできない。

本開示においては、水素濃度を正確に検知または推定できる水素濃度センサが水に弱いことから、水があるタイミング／水がないタイミングが明確になっている部位で水素濃度推定及び水素濃度異常を検知する。具体的には、排気排水弁に温度センサを設置し、排気排水弁開弁時に、燃料ガス流路を流れる燃料系ガスの圧力値によって、排水中か排気中かを判定した後、排気中の排気排水弁温度変化から、水素濃度推定及び水素濃度異常を検知する。
本開示により、循環流路の中の水素濃度を精度良く推定できるため、循環流路内の異常（エジェクタ故障等）を検知できる。

水素は熱伝導率が０．２１４（Ｗ／ｍ・Ｋ＠１００℃）、窒素は熱伝導率が０．０３１３（Ｗ／ｍ・Ｋ＠１００℃）、水蒸気は熱伝導率が０．０２４１（Ｗ／ｍ・Ｋ＠１００℃）であり、水素は熱伝導率が、ほかのガス（窒素、水蒸気）より高く、熱授受の速度が速くなる。また、正常時の水素濃度、及びその他のガスは推定値がある。これらを活用して排気中の正常時の排気排水弁温度変化は推定することができる。そして、排気中の正常時の排気排水弁温度変化と温度センサにより測定された排気排水弁温度変化とを比較して、水素濃度の異常を検出する。
図１は正常時の水素濃度の場合と異常時の水素濃度の場合のそれぞれの場合の時間と温度との関係の一例を示す図である。
図１に示すように、排水中は温度が変化しない。また、排気中の正常時の水素濃度の場合と異常時の水素濃度の場合では、温度変化率が異なるため、正常時の水素濃度の場合の温度変化率を予め記憶しておき、それと測定値を比較することで水素濃度を精度良く推定することができ、測定値が正常時の水素濃度の場合の温度変化率と異なり、排気中の温度変化が小さい場合に水素濃度異常を検知することができる。

また、水素濃度の異常は、排気排水弁の詰まりでも発生するが、詰まりの場合は、温度変化の異常だけでなく、圧力変化の異常も同時に起こるため、排気中の圧力挙動から判別が可能である。
図２は正常時の水素濃度の場合と異常時の水素濃度の場合のそれぞれの場合の時間と圧力との関係の一例を示す図である。
図２に示すように、排水中は圧力が変化しない。また、排気中の正常時の水素濃度の場合と異常時の水素濃度の場合では、圧力変化率が異なるため、正常時の水素濃度の場合の圧力変化率を予め記憶しておき、それと測定値を比較し、排気中の温度変化が小さく、且つ、圧力低下が小さい場合に排気排水弁詰まり（半開異常）と判定することができる。

本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。

本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源として電動機を有する車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。

本開示の燃料電池システムは、燃料電池を備える。
燃料電池は、単セルを１つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～６００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。

燃料電池の単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。

カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。

カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。２枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料ガス供給部と、燃料ガス供給流路と、エジェクタと、循環流路と、気液分離器と、燃料オフガス排出流路と、排気排水弁と、温度センサと、圧力センサと、制御部と、を備える。

燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する。具体的には燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。

燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池の燃料ガス入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。

燃料ガス供給流路には、エジェクタが配置される。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路上の循環流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。

燃料ガス供給流路の燃料ガス供給部とエジェクタとの間の領域には、調圧弁及び中圧水素センサが配置されていてもよい。
調圧弁は、燃料ガス供給部からエジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調節する。
調圧弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって調圧弁の開閉及び開度等を制御されることにより、エジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調整してもよい。
中圧水素センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、中圧水素センサによって測定された燃料ガスの圧力を検知し、検知した圧力から調圧弁の開閉及び開度等を制御することにより、エジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調整してもよい。

循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口とエジェクタとを接続する。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする。
循環流路は、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。

循環流路には、循環ポンプが配置されていてもよい。循環ポンプは、燃料オフガスを循環ガスとして循環させる。循環ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。

循環流路には、気液分離器（アノード気液分離器）が配置されていてもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路と循環流路との分岐点に配置されていてもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から気液分離器を介して分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路の排気排水弁よりも上流に配置される。
気液分離器は、燃料ガス出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスと水分（液水）を分離する。これにより、燃料オフガスを循環ガスとして循環流路に戻してもよいし、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路の排気排水弁を開弁して外部に排出してもよい。また、気液分離器により、余分な水分が循環流路に流れることを抑制することができるため、当該水分による循環ポンプ等の凍結の発生を抑制することができる。

燃料オフガス排出流路は、気液分離器と接続する。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口と燃料電池システムの外部とを接続し、燃料ガス出口と燃料電池システムの外部との間の領域に気液分離器が配置されていてもよい。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から気液分離器を介して分岐していてもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを燃料電池システムの外部に排出する。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。

燃料オフガス排出流路には、排気排水弁（燃料オフガス排出弁）が配置される。排気排水弁は、気液分離器よりも下流に配置される。
排気排水弁は、燃料オフガス及び水分等を外部（系外）へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
排気排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排気排水弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量及び水分（液水）の排水流量を調整してもよい。また、排気排水弁の開度を調整することにより、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力（アノード圧力）を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。

温度センサは、排気排水弁に備えられる。
温度センサは、排気排水弁を通過する燃料オフガスの温度を測定する。
温度センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、温度センサによって測定された燃料オフガスの温度を検知する。
温度センサは、従来公知の温度計等を用いることができる。

圧力センサは、燃料ガス供給流路及び循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一種の流路に配置され、両方の流路に配置されていてもよい。
圧力センサは、燃料ガス供給流路及び循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一種の流路を通過する燃料系ガスの圧力を測定する。燃料系ガスとは、燃料ガス、燃料オフガス、及び循環ガスからなる群より選ばれる少なくとも一種のガスである。
圧力センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、圧力センサによって測定された燃料系ガスの圧力を検知する。
圧力センサは、従来公知の圧力計等を用いることができる。

燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス系として、酸化剤ガス供給部を備えていてもよく、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよく、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよく、酸化剤ガスバイパス流路を備えていてもよく、バイパス弁を備えていてもよく、酸化剤ガス流量センサを備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも１つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整してもよい。
酸化剤ガスバイパス流路は、酸化剤ガス供給流路から分岐し、燃料電池を迂回し、酸化剤ガス供給流路の分岐部と酸化剤オフガス排出流路の合流部とを接続する。
酸化剤ガスバイパス流路には、バイパス弁が配置される。
バイパス弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によってバイパス弁が開弁されることにより、燃料電池への酸化剤ガスの供給が不要な場合に燃料電池を迂回して酸化剤ガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出することができる。
酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス供給流路に配置される。
酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス系内の酸化剤ガスの流量を検出する。酸化剤ガス流量センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、酸化剤ガス流量センサで検出した酸化剤ガスの流量からエアコンプレッサーの回転数を推定してもよい。酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス供給流路の酸化剤ガス供給部よりも上流に配置されていてもよい。
酸化剤ガス流量センサは、従来公知の流量計等を採用することができる。

燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部を備えていてもよく、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。

燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。

制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。

制御部は、排気排水弁を開弁し、所定の濃度の水素を外部へ排気したときの時間と水素の温度との相関を示す第１データ群及び時間と水素の圧力との相関を示す第２データ群を予め記憶する。
所定の濃度とは、燃料ガス中に通常含まれている水素濃度であってもよく、水素濃度異常判定のための燃料電池の運転を正常に行うことができる許容範囲内及び許容範囲外の濃度であってもよい。
第１データ群としては、例えば図１に示すようなデータ群であってもよい。
第２データ群としては、例えば図２に示すようなデータ群であってもよい。

制御部は、排気排水弁を開弁したときに、圧力センサで測定した圧力の変化から、第２データ群を参照して燃料オフガスの排気中か水分の排水中かを判定する。
図２に示すように、排水中であれば圧力変化がなく、排気中であれば圧力変化が生じるため、排気中か排水中かを圧力変化の有無で判定することができる。

制御部は、排気中と判定したときに、温度センサで測定した温度の変化の傾きから、第１データ群を参照して前記燃料オフガス中の水素濃度を推定する。
制御部は、排気中と判定したときに、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、第１データ群を参照して所定の温度変化傾き閾値よりも小さいか否か判定してもよい。
制御部は、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、水素濃度の異常として検知してもよい。一方、制御部は、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の温度変化傾き閾値以上である判定したときは、水素濃度が正常であると検知してもよい。
温度変化傾き閾値は、水素濃度が燃料電池の運転に支障がない正常な範囲であるか否かの判定のための基準となる温度変化傾きを閾値として適宜設定してもよい。温度変化傾き閾値は、予め記憶した規定濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用して燃料電池を発電したときの温度変化傾きであってもよい。

制御部は、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、第２データ群を参照して所定の圧力変化傾き閾値よりも小さいか否か判定してもよい。
制御部は、圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の圧力変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、排気排水弁の詰まりとして検知してもよい。
一方、制御部は、圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の圧力変化傾き閾値以上であると判定したときに、水素濃度の異常として検知してもよい。
圧力変化傾き閾値は、燃料ガス圧力が燃料電池の運転に支障がない正常な範囲であるか否かの判定のための基準となる圧力変化傾きを閾値として適宜設定してもよい。圧力変化傾き閾値は、予め記憶した規定濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用して燃料電池を発電したときの圧力変化傾きであってもよい。
図２に示すように、排気排水弁の詰まりがある場合は圧力変化の傾きが小さくなるため、正常時の圧力傾きと実測値を比較することで排気排水弁詰まりを検知することができる。

図３は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図３に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料ガス供給部２０と、燃料ガス供給流路２１と、燃料オフガス排出流路２２と、排気排水弁２３と、気液分離器２４と、循環流路２５と、エジェクタ２６と、制御部５０と、温度センサ６０と、圧力センサ７０と、を備える。なお、図３では、燃料ガス系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、冷却系等の図示は省略する。

図４は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
まず制御部は、排気排水弁を開弁したときに、圧力センサで測定した圧力を検知する。
そして、制御部は、圧力変化の有無から、第２データ群を参照して燃料オフガスの排気中か水分の排水中かを判定する。
そして、制御部は、圧力変化が有り、排気中と判定したときに、温度センサで測定した温度の変化の傾きから、第１データ群を参照して前記燃料オフガス中の水素濃度を推定する。
制御部は、排気中と判定したときに、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、第１データ群を参照して所定の温度変化傾き閾値よりも小さいか否か判定する。
制御部は、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の温度変化傾き閾値以上である判定したときは、水素濃度が正常であると検知し制御を終了する。
一方、制御部は、温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、第２データ群を参照して所定の圧力変化傾き閾値よりも小さいか否か判定する。
制御部は、圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の圧力変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、排気排水弁の詰まりとして検知し制御を終了する。
一方、制御部は、圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の圧力変化傾き閾値以上であると判定したときに、水素濃度の異常として検知し制御を終了する。

１０ 燃料電池
２０ 燃料ガス供給部
２１ 燃料ガス供給流路
２２ 燃料オフガス排出流路
２３ 排気排水弁
２４ 気液分離器
２５ 循環流路
２６ エジェクタ
５０ 制御部
６０ 温度センサ
７０ 圧力センサ
１００ 燃料電池システム

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムは、燃料電池と、
   水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
   前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
   前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
   前記循環流路に配置され、且つ、前記燃料オフガスと水分を分離して回収する気液分離器と、
   前記気液分離器と接続する燃料オフガス排出流路と、
   前記燃料オフガス排出流路に配置される排気排水弁と、
   前記排気排水弁に備えられた温度センサと、
   前記燃料ガス供給流路及び前記循環流路からなる群より選ばれる少なくとも一種の流路に配置される圧力センサと、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記排気排水弁を開弁し、所定の濃度の前記水素を外部へ排気したときの時間と前記水素の温度との相関を示す第１データ群及び時間と前記水素の圧力との相関を示す第２データ群を予め記憶し、
   前記制御部は、前記排気排水弁を開弁したときに、前記圧力センサで測定した圧力の変化から、前記第２データ群を参照して前記燃料オフガスの排気中か前記水分の排水中かを判定し、
   前記制御部は、前記排気中と判定したときに、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きから、前記第１データ群を参照して前記燃料オフガス中の水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記排気中と判定したときに、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きが、前記第１データ群を参照して所定の温度変化傾き閾値よりも小さいか否か判定し、
   前記制御部は、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の前記温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、前記水素濃度の異常として検知する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記温度センサで測定した温度の変化の傾きが、所定の前記温度変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、前記圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、前記第２データ群を参照して所定の圧力変化傾き閾値よりも小さいか否か判定し、
   前記制御部は、前記圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の前記圧力変化傾き閾値よりも小さいと判定したときに、前記排気排水弁の詰まりとして検知し、
   前記制御部は、前記圧力センサで測定した圧力の変化の傾きが、所定の前記圧力変化傾き閾値以上であると判定したときに、前記水素濃度の異常として検知する、請求項２に記載の燃料電池システム。

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