JP4363476B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置を有する燃料電池システムに関する。
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。この反応のために燃料電池は発熱し、その冷却のために燃料電池スタック内に冷却水等の冷媒を流し、これをラジエータ等で冷却することが行われる。
このように、燃料電池システムは、燃料電池スタックと、これに接続された燃料ガス流路、酸化ガス流路、冷却水流路等を含んで構成され、これらの流体流路には、それぞれ各流体の流れを制御する弁またはバルブの駆動装置、ポンプ、コンプレッサ等の流体駆動装置が設けられる。
例えば、特許文献１には、燃料電池システムにおいて、空気排気系の内部の水を霧化する超音波振動子を有する霧化器が設けられ、仕切弁を操作してバイパス供給管やバイパス排気管に切り替えて加湿器をバイパスした状態とし、エアコンプレッサを駆動して掃気することが開示されている。
これらの流体駆動装置が作動しないと、燃料電池システムの運転に支障が生じえるので、そのような場合に備え、様々な工夫がされている。例えば、特許文献２には、燃料電池システムにおいて、蓄電池が長期間未使用で自己放電し、蓄電池から電力の供給を受けられない場合に、手動発電機等の外部エネルギによって蓄電池を充電し、燃料電池を起動させることが開示されている。
また、燃料電池に関するものではないが、特許文献３には、温調装置において、長期間にわたって不使用、停止状態が継続すると水循環径路内の開閉弁が閉状態のまま固着することがあると述べられている。ここでは、運転停止後、一定時間が経過すると開閉弁を強制的に開動作させ、またポンプを駆動して滞留水を強制循環させることが開示されている。
特開２００５−２５１５７６号公報 特開２００６−３１０２０９号公報 特開２００１−３３６８０３号公報
燃料電池システムにおいては上記のように様々な流体駆動装置が設けられているが、燃料電池が運転しないときにこれらは作動しないため、例えば、低温下で水分が凍結する状況等により固着することが生じえる。流体駆動装置に固着が生じると、燃料電池の作動に支障が生じる。特許文献３では、温調装置の水循環径路の開閉弁の固着について述べられているが、電気化学反応を用いて発電する燃料電池の運転にそのままでは適合できない。
本発明の目的は、燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置の固着による作動不良を抑制できる燃料電池システムを提供することである。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置と、燃料電池本体が発電運転中であるか否かを判断する運転状態判断手段と、燃料電池の運転トリップを計数し、１トリップ以上の予め定めた所定のトリップ数ごとに１回の割合で、且つ運転状態判断手段により燃料電池本体が発電運転中であると判断されたときに流体駆動装置を強制駆動する強制駆動手段と、燃料電池本体の温度を検出する温度検出手段と、燃料電池本体を構成する燃料電池セルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、を備え、強制駆動手段は、温度検出手段により測定された燃料電池本体の温度が予め定めた所定の温度範囲を超えて高いときは、流体駆動装置の強制駆動を禁止する運転判断モジュールと、インピーダンス検出手段により測定された燃料電池セルのインピーダンスが予め定めた所定の範囲内を超えて高いときは流体駆動装置の強制駆動を禁止するインピーダンス判断モジュールと、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置と、燃料電池本体が発電運転中であるか否かを判断する運転状態判断手段と、流体駆動装置の不使用時間を計数し、不使用時間が予め定めた所定の時間を超えるときであって、且つ運転状態判断手段により燃料電池本体が発電運転中であると判断されたときに流体駆動装置を強制駆動する強制駆動手段と、燃料電池本体の温度を検出する温度検出手段と、燃料電池本体を構成する燃料電池セルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、を備え、強制駆動手段は、温度検出手段により測定された燃料電池本体の温度が予め定めた所定の温度範囲を超えて高いときは、流体駆動装置の強制駆動を禁止する運転判断モジュールと、インピーダンス検出手段により測定された燃料電池セルのインピーダンスが予め定めた所定の範囲内を超えて高いときは流体駆動装置の強制駆動を禁止するインピーダンス判断モジュールと、を有することを特徴とする。
また、暗騒音に関係する関係量を測定する暗騒音測定手段と、暗騒音測定手段により測定された暗騒音に関係する関係量が予め定めた範囲を超えて暗騒音が大きいと判断されるときに流体駆動装置を強制駆動する暗騒音判断モジュールを有することを好ましい。
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、燃料電池の運転の１トリップ以上の予め定めた所定のトリップ数ごとに１回の割合で流体駆動装置を強制駆動する。燃料電池システムにおいては、低温時等の特別な条件のときにのみ作動させる流体駆動装置等が設けられることがあるが、これらはその特別な条件にならないと駆動されない。このように、燃料電池システムを運転しても、その都度必ずしも駆動されない流体駆動装置があり、これらは長期間の不使用で固着が生じやすい。上記構成によれば、少なくとも所定のトリップ数ごとに流体駆動装置が強制駆動されるので、固着の発生による作動不良を抑制することができる。
また、上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、流体駆動装置の不使用時間が予め定めた所定の時間を超えるときにその流体駆動装置を強制駆動する。これにより、長期間の不使用によって、例えば、開閉弁等の強制駆動手段のシール面の固着の発生を抑制できる。
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池本体の定常運転中に流体駆動装置を強制駆動するので、燃料電池の運転時間を延長することなく固着抑制処理を行うことができる。
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池本体の温度が予め定めた所定の温度範囲を超えて高いときは流体駆動装置の強制駆動を禁止する。燃料電池本体の温度が高いときは、例えば酸化ガスの飽和蒸気圧が高く、燃料電池が乾燥している状態にある。上記構成によれば、強制駆動によるさらなる乾燥を防止できる。
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池セルのインピーダンスが予め定めた所定の範囲内を超えて高いときは流体駆動装置の強制駆動を禁止する。燃料電池セルのインピーダンスが高いときは、燃料電池が乾燥している状態にある。上記構成によれば、強制駆動によるさらなる乾燥を防止できる。
また、燃料電池システムにおいて、暗騒音に関係する関係量が予め定めた範囲を超えて暗騒音が大きいと判断されるときに流体駆動装置を強制駆動する。これにより、流体駆動装置を強制駆動する騒音を目立たなくすることができる。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、車両に搭載される燃料電池システムについて説明するが、連続運転でなく、需要または必要に応じ運転される燃料電池システムであればよい。例えば、車両以外の用途に用いられる燃料電池システムであってもよい。また、以下では、燃料ガスに水素、酸化ガスに大気を用いる固体高分子電解質膜型の燃料電池本体を有する燃料電池システムを説明するが、燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置を有するものであれば、用いられるガスの種類、電解質膜の種類が他のものである別形式の燃料電池本体を有する燃料電池システムであってもよい。また、以下では、流体駆動装置として、加湿器をバイパスする加湿器バイパス流路に設けられる加湿器バイパス弁の駆動装置を説明するが、これは多数ある流体駆動装置の１つの例であって、他の開閉弁、調整弁等の駆動装置、酸化ガスのためのエアコンプレッサ（ＡＣＰ）、燃料ガスのための水素ポンプ等の流体駆動装置であってもよい。
図１は燃料電池システム１０の構成図である。燃料電池システム１０は、システム本体部２０と、システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御装置８０とを含んで構成されている。
システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置され燃料ガスである水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置され酸化ガスである空気供給のための各要素を含んで構成される。
燃料電池スタック２２は、出力電圧が小さい燃料電池セルを複数積層して、所望の高電圧を有する組電池としたものである。燃料電池セルは、固体電解質膜及び触媒層の積層体である膜積層体（Ｍｅｍｂｒａｍｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を挟んでアノード側に燃料ガスとしての水素を供給し、カソード側に空気を供給することで、ＭＥＡを含むセル内部において、水素と、空気中の酸素との反応によって電力を発生する単電池である。このとき、カソード側から反応生成物としての水が排出される。燃料電池セルの出力電圧としては、約１．４Ｖ程度であり、例えば３００Ｖの出力電圧を得るには、２００以上の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックとすることになる。
アノード側の水素ガス源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源２４は、開閉弁２６、レギュレータ２８を介しインジェクタ３０に接続される。開閉弁２６は、水素ガス源２４からの水素供給の有無を制御し、レギュレータ２８とインジェクタ３０は、水素ガス源２４からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。インジェクタ３０の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。
燃料電池スタック２２のアノード側出口から排出されるガスは、発電で水素が消費されて水素濃度が低くなり、また、ＭＥＡを通してカソード側の空気の成分である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなっている。また、ＭＥＡを通して、反応生成物の水も透過してくる。
分流器３３は、アノード側出口からの排出ガスを循環昇圧器３２と、水素排気弁３４とに分流する機能を有する。ここで、通常時において水素排気弁３４は閉状態であるので、アノード側出口からの排出ガスは循環昇圧器３２に戻される。
循環昇圧器３２は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。このように、循環昇圧器３２を用いて水素ガスを循環させているうちに、排出ガスの不純物ガス濃度が次第に高まってくる。
水素排気弁３４は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきた適当なときに、開状態とし、排出ガスを希釈器３６に流す機能を有する。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。
カソード側の酸素供給源４０は、酸化ガス源で、実際には大気を用いることができる。酸素供給源４０である大気はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。
フィルタ４２の前に設けられる大気温度計６０は、酸化ガスの温度を検出する機能を有する手段であるが、また、酸化ガス源である大気の温度（θA）、つまり燃料電池システム１０が置かれる環境の温度を検出する手段でもある。検出データは、制御装置８０に伝送され、例えば、燃料電池システムの運転モードの変更等が行われる。
例えば、大気温度が低温のときは、燃料電池システム１０の運転条件が常温の場合とかなり異なる。一例を上げると、氷点下等の低温環境においては、燃料電池システム１０の酸化ガス流路における水分の凍結等を防止する必要がある。また、燃料電池スタック２２の温度が低い状態では発電効率が低下するので、その暖機を確保するために、冷却水の温度を上げる等の必要がある。これらのために、燃料電池システム１０は、運転モードとして、低温モードと常温モードを備える。
図２は、低温モードと常温モードとの間の切替の様子を説明する図である。横軸に大気温度（θA）をとり、縦軸に低温モードと常温モードとが示してある。この図に示されるように、例えば、氷点下の低温である温度θ1以下では低温モードが強制的にオンとされ、常温付近の温度である温度θ2以上では低温モードが強制的にオフとされ、常温モードに自動的になる。温度θ1と温度θ2の間の温度範囲においては、通常は低温モードがオフされて常温モードで運転されるが、後述するモードスイッチ８２のユーザ操作により、低温モードスイッチがオンされると、そのオンの間、低温モードにすることができる。
再び図１に戻り、フィルタ４２の後に設けられる流量計６２は、酸素供給源４０からの酸化ガスの全供給流量を検出するフローメータである。
エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４４は、図示されていないモータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４４は、制御装置８０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。このようにモータの回転速度を可変することで酸化ガスの供給が制御される。ＡＣＰ４４の後の圧力計６４は、供給酸化ガスの圧力を検出する機能を有する。
加湿器４６は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器４６は、加湿モジュールと呼ばれることもある。加湿器４６により適度に湿らせられた供給ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、燃料電池スタック２２の内部で電気化学反応を行って、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器４６に供給され、ＡＣＰ４４から燃料電池スタック２２に供給される酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器４６は、供給ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。
加湿器４６によって適当に加湿された酸化ガスは燃料電池スタック２２の酸化ガス入口に供給されるが、その酸化ガス入口の手前に、ＦＣ入口シャット弁４８が設けられる。ＦＣ入口シャット弁４８は、後述するＦＣ出口シャット弁５４とともに、燃料電池スタック２２が運転中は開状態で、燃料電池スタック２２が停止中は閉状態となるシャット弁である。ここでシャット弁とは、調整弁のように流量を可変できるような弁と異なり、開状態と閉状態の２つの状態をとることができる開閉弁である。
加湿器バイパス流路５６は、加湿器４６をバイパスしてＡＣＰ４４から燃料電池スタック２２の酸化ガス入口に接続されるように設けられる。加湿器バイパス流路５６の途中に設けられる加湿器バイパス弁５０は、通常は閉状態で、必要なときに制御装置８０の制御の下で開状態とされるシャット弁である。
加湿器バイパス弁５０が開くときは、加湿器バイパス流路５６を通って、ＡＣＰ４４から加湿されていない高圧酸化ガスが燃料電池スタック２２に直接供給される。これにより、燃料電池スタック２２における酸化ガス流路の強制掃気を実行できる。なお、加湿器バイパス弁５０が開くときは、高圧酸化ガスが加湿器４６の方に逆流しないように、ＦＣ入口シャット弁４８が閉状態とされることが好ましい。
燃料電池スタック２２の酸化ガス出口に設けられる調圧弁５２は、背圧弁とも呼ばれるが、酸化ガス出口、すなわちカソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への供給ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。
調圧弁５２の後に設けられるＦＣ出口シャット弁５４は、上記のように、燃料電池スタック２２が運転中は開状態で、燃料電池スタック２２が停止中は閉状態となるシャット弁である。このＦＣ出口シャット弁５４と上記のＦＣ入口シャット弁４８とは、燃料電池スタック２２の運転停止の際に双方とも閉状態とすることで、燃料電池スタック２２のカソード側を密閉する機能を有する弁である。これにより、燃料電池スタック２２の運転停止中における触媒等の酸化を防止することができる。
ＦＣ出口シャット弁５４が開状態のとき、調圧弁５２を介して燃料電池スタック２２の酸化ガス出口は、上記の加湿器４６に接続されるので、燃料電池スタック２２を出たガスは加湿器４６に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器３６に入り、その後外部に排出される。
希釈器３６は、アノード側の水素排気弁３４からの不純物ガスおよび水混じりの水素、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。なお、加湿器４６をバイパスしてＡＣＰ４４を希釈器３６とを直接接続する直接流路を設け、直接流路に適当な弁を設け、この弁を必要に応じ開状態として、水素濃度をさらに下げて希釈するものとしてもよい。
燃料電池スタック２２に設けられる冷却水流路５８は、電気化学反応に適した温度に燃料電池スタック２２の温度を維持するためのものである。冷却水流路５８は、図示されていないラジエータ等の熱交換器と燃料電池スタック２２と間を適当な冷媒を循環させるもので、その流路に流体駆動装置の１つである循環ポンプが配置される。冷却水流路５８に設けられる冷却水温度計６６は、燃料電池スタック２２の温度を表すことになる冷却水温度（θW）を検出する手段であり、その検出データは制御装置８０に伝送され、例えば、加湿器バイパス弁５０の開閉条件の１つとして用いられる。
図３は、冷却水温度（θW）を横軸にとり、縦軸に大気の飽和蒸気圧をとって、温度とガスの飽和蒸気圧の関係を模式的に示す図である。この図に示されるように、温度が高くなると飽和蒸気圧は増加する。換言すれば、高温においては、酸化ガスは低湿となっており、低温においては、酸化ガスは高湿となっている。ここで、発電以外の目的で酸化ガスを燃料電池スタック２２に流す必要があるときは、酸化ガスは低湿よりも高湿の方が好ましい。すなわち、低湿の酸化ガスが流される場合、燃料電池スタック２２は、乾燥傾向が進む恐れがあるからである。
例えば、加湿器バイパス弁５０を開けるときは、加湿器４６を通さない酸化ガスが燃料電池スタック２２に流されることになるので、酸化ガスが低湿であると、燃料電池スタック２２において乾燥傾向が進む恐れがある。したがって、加湿器バイパス弁５０を開けるときは、冷却水温度（θW）が低温のときの方が好ましい。一般的には、発電以外の目的で酸化ガスを燃料電池スタック２２に流す必要があるときは、燃料電池スタック２２の温度が低温であるときの方が好ましい。ここで、低温とは、飽和蒸気圧が温度と共に急激に上昇を始める温度以下のことである。例えば、酸化ガス温度で、約４０℃から約５０℃以下のときに、発電目的以外で酸化ガスを燃料電池スタック２２に流すようにすることが好ましい。
再び図１に戻り、燃料電池スタック２２に設けられる電流検出器６８と電圧検出器７０は、燃料電池スタック２２の発電状況を検出する手段である。これらの検出データは制御装置８０に伝送され、燃料電池システム１０の運転制御に反映される。この電流検出器６８と電圧検出器７０は、また、燃料電池セルの膜抵抗、あるいは膜インピーダンスの算出のためにも用いられる。膜抵抗あるいは膜インピーダンスは、燃料電池セルの濡れ程度、あるいは乾燥状況を反映する特性値である。膜抵抗あるいは膜インピーダンスの算出は、単純に電圧値を電流値で除して得る直流的方法の他に、電圧信号等に高周波成分を重畳させ、その応答を電流信号で測定する交流的方法等を用いることができる。
図４は、電流検出器６８の検出値を横軸にとり、電圧検出器７０の検出器を縦軸にとって、膜抵抗あるいは膜インピーダンスＺの様子を説明する図である。図４に示されるように、燃料電池セルの電圧−電流特性は直線的に変化するものではないが、膜インピーダンスＺが大きいときに比べ膜インピーダンスＺが小さいときの方が、同じ電圧値において電流値が大きくなる。このように、電流検出器６８と電圧検出器７０を用いて、膜抵抗あるいは膜インピーダンスを評価できる。
再び図１に戻り、制御装置８０に接続されるモードスイッチ８２は、大気温度計６０に関連して説明した低温モードの選択スイッチである。すなわち、図２で説明した温度θ1と温度θ2の間の温度のときに、モードスイッチ８２を操作することで、常温モードから低温モードに切替をすることができる。モードスイッチ８２は、ユーザの操作によって行うことができる。
車速センサ８４は、車両の走行速度を取得する手段である。車速センサ８４から取得された走行速度は、車両の運行制御等に利用されるが、ここでは、車両の暗騒音の評価に用いられる。例えば、走行速度が高速の場合と、低速の場合とを比較すると、前者の方が車両のユーザが感じる暗騒音が大きいからである。
制御装置８０は、システム本体部２０の各要素の作動を全体として制御する機能を有する。すなわち制御装置８０は、外部からの発電要求に応じて、ＡＣＰ４４等の作動を制御し燃料電池スタック２２に酸化ガスと燃料ガスを供給し、所望の発電運転を行わせる機能を有する。この機能は、ＦＣ運転制御部８６によって実行される。また、制御装置８０は、特に、流体駆動装置が固着しないように駆動処理を行う機能を有する。この機能は、流体駆動装置駆動処理部８８によって実行される。
流体駆動装置駆動処理部８８は、流体駆動装置の未使用時間について駆動処理を行うべきか否かを判断する未使用時間判断モジュール９０と、システム本体部２０の運転状態について駆動処理を行うに適した状態か否かを判断する運転モード判断モジュール９２と、燃料電池セルの膜インピーダンスの状態について駆動処理を行うに適しているか否かを判断するインピーダンス判断モジュール９４と、燃料電池スタック２２の温度について駆動処理を行うに適しているか否かを判断するＦＣ温度判断モジュール９６と、暗騒音について駆動処理を行うに適しているか否かを判断する暗騒音判断モジュール９８とを含んで構成される。
かかる制御装置８０は、適当な制御コンピュータで構成することができる。また、上記の各機能は、ソフトウェアによって実現でき、具体的には、対応する燃料電池制御プログラムを実行することで実現できる。
上記構成の作用、特に制御装置８０の流体駆動装置駆動処理部８８の各機能について、図５のフローチャートを用いて詳細に説明する。図５は、燃料電池システム１０のシステム本体部２０における流体駆動装置の固着防止駆動処理の手順を示すフローチャートで、各手順は、対応する燃料電池制御プログラムの中の流体駆動装置固着防止処理プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。なお、以下では、流体駆動装置として、加湿器バイパス弁５０の駆動装置について説明する。
流体駆動装置固着防止プログラムが起動すると、まず、未使用時間が閾値Ｔ0を超えるか否かが判断される（Ｓ１０）。この工程は、制御装置８０の流体駆動装置駆動処理部８８の未使用時間判断モジュール９０の機能によって実行される。未使用時間は、加湿器バイパス弁５０が開状態になった時刻を記憶し、最も直近に開状態となった時刻から現在までの時間を算出して求められる。閾値Ｔ0は、予め、燃料電池システム１０の運転仕様、加湿器バイパス弁５０の仕様等から設定することができる。例えば、１週間程度の未使用で加湿器バイパス弁５０の固着の恐れが予測されるときは、Ｔ0を１００時間程度に設定することができる。
未使用時間に関する閾値Ｔ0は、加湿器バイパス弁５０が固着しないように設定されるものなので、一定時間の設定以外の決め方でもよい。例えば、燃料電池システム１０の運転頻度に合わせ、燃料電池システム１０の１回の運転を１トリップと数えることとし、トリップ数を閾値としてもよい。例えば、１トリップに１回ごとに加湿器バイパス弁５０を強制駆動するものとするときは、１トリップが閾値となる。
Ｓ１０において、未使用時間が閾値Ｔ0を超えていると判断されると、次に弁が正常であるか否かが判断される（Ｓ１２）。例えば、加湿器バイパス弁５０の駆動装置において、駆動回路等が短絡故障している場合には、強制駆動しない。弁が正常か否かは、加湿器バイパス弁５０の駆動装置の電気的、機械的等の適当なチェック手段によって行うことができる。例えば、駆動回路の電流値が正常であるか否か等が確認される。なお、Ｓ１２の判断が否定のときはＳ１０に戻る。
弁が正常であると判断されると、次に燃料電池システム１０が運転中であるか否かが判断される（Ｓ１４）。燃料電池システム１０が運転中か否かは、制御装置８０のＦＣ運転制御部８６の運転状態フラグ等から判断することができる。ここで、加湿器バイパス弁５０の固着防止強制駆動は、燃料電池システム１０の本来の発電運転と関係がない処理であるので、燃料電池システム１０が運転されていないオフラインのときに実行することがよい、と考えることもできる。しかし、この場合には、例えば、起動処理あるいは終了処理を延長する等、わざわざ、固着防止強制駆動のための処理時間を燃料電池システム１０の運転スケジュールに合わせて設定することになる。したがって、燃料電池システム１０が効率よく運転されているときには、その処理時間のために全体の稼働率が低下する。
そこで、好ましくは、燃料電池システム１０の定常運転中において、固着防止強制駆動を行うことが好ましい。したがって、Ｓ１４が肯定されるときに、次のＳ１６へ進むこととし、Ｓ１４が否定されると、再びＳ１０へ戻ることとする。
次に、運転モードが低温モードでないか否かが判断される（Ｓ１６）。この工程は、制御装置８０の運転モード判断モジュール９２の機能によって実行される。運転モードが低温モードであると、水分の凍結を防止する等の様々な処理が行われるが、その中の１つに、加湿器バイパス弁５０を予め定められた頻度で開状態とし、酸化ガス供給流路に強制的に酸化ガスを流し、水分の掃気を行うことがある。したがって、低温モードのときは、加湿器バイパス弁５０は開閉動作が十分行われていることになり、改めて固着防止強制駆動を実行する必要がない。Ｓ１６において、低温モードである、と判断されるとＳ１８には進まずＳ１０に戻る。なお、低温モードには、大気温度計６０の温度が所定の温度θ1以下である場合の他に、温度θ1を超えていてもモードスイッチ８２の状態が低温モードを選択している場合が含まれる。
Ｓ１６において低温モードでないと判断されると、次に膜インピーダンスが閾値以下であるか否かが判断される（Ｓ１８）。この工程は、制御装置８０のインピーダンス判断モジュール９４の機能によって実行される。燃料電池セルの膜インピーダンスが高いと、燃料電池セルの膜状態が乾燥気味であるので、加湿器４６をバイパスして酸化ガスを燃料電池スタック２２に流すと、さらに乾燥状態が進展する恐れがある。したがって、膜インピーダンスの値が、適当に低く、膜状態が適当に湿っているときに、加湿器バイパス弁５０を強制駆動することとするためである。膜インピーダンスは、上記のように、電流検出器６８、電圧検出器７０の検出値から求めることができる。また、膜インピーダンスの閾値は、燃料電池スタック２２の仕様等から設定することができる。例えば、約０．１Ωから約１Ω程度を閾値とすることができる。Ｓ１８において判断が否定されるとＳ１０に戻る。
膜インピーダンスが閾値以下であると判断されると、次に燃料電池スタック２２の温度が閾値以下であるか否かが判断される（Ｓ２０）。この工程は、制御装置８０のＦＣ温度判断モジュール９６の機能によって実行される。燃料電池スタック２２の温度は、冷却水温度計６６によって検出される。そして、上記のように、燃料電池スタック２２の温度が高いと、酸化ガスの飽和蒸気圧が高く、したがって、酸化ガスが乾燥気味である。このときには、加湿器４６を通さずに酸化ガスを燃料電池スタック２２に流さないことが好ましい。換言すれば、加湿器バイパス弁５０を開状態とするのは、適当な低温のときがよい。ここで低温というのは、飽和蒸気圧の増加傾向に対してであって、閾値の例としては、例えば、約４０℃から約５０℃程度に設定することができる。
Ｓ２０において燃料電池スタック２２の温度が閾値以下であると判断されると、次に車速が閾値以上か否かが判断される（Ｓ２２）。車速は、暗騒音についての関係量であって、ある程度の高速で走行するときは、加湿器バイパス弁５０の作動の騒音が車両の走行騒音に埋れて、運転者等のユーザの気にならない程度である、と考えられるからである。例えば、車速の閾値を約３０ｋｍ／ｈから約４０ｋｍ／ｈ程度に設定することができる。勿論、車速の基準以外に暗騒音の関係量を測定する装置、例えば騒音計等を設けて、基準を騒音の程度として、例えば閾値を約３０ｄＢと設定し、これ以上のときにＳ２４に進むこととすることができる。Ｓ２２で判断が否定のときはＳ１０に戻る。
Ｓ２２において、判断が肯定されると、ここで初めて、加湿器バイパス弁５０の固着防止のための開閉処理のための強制駆動が実行される（Ｓ２４）。１回開閉処理が終了すると、Ｓ１０に戻り、上記の処理が繰り返される。このようにして、燃料電池システム１０における流体駆動装置の固着による作動不良の防止を図ることができる。
本発明に係る実施の形態における燃料電池システムの構成図である。 本発明に係る実施の形態において、低温モードと常温モードとの間の切替の様子を説明する図である。 温度とガスの飽和蒸気圧の関係を模式的に示す図である。 電流を横軸にとり、電圧を縦軸にとって、膜抵抗あるいは膜インピーダンスＺの様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、燃料電池システムのシステム本体部における流体駆動装置の固着防止駆動処理の手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃料電池システム、２０ システム本体部、２２ 燃料電池スタック、２４ 水素ガス源、２６ 開閉弁、２８ レギュレータ、３０ インジェクタ、３２ 循環昇圧器、３３ 分流器、３４ 水素排気弁、３６ 希釈器、４０ 酸素供給源、４２ フィルタ、４４ ＡＣＰ、４６ 加湿器、４８ ＦＣ入口シャット弁、５０ 加湿器バイパス弁、５２ 調圧弁、５４ ＦＣ出口シャット弁、５６ 加湿器バイパス流路、５８ 冷却水流路、６０ 大気温度計、６２ 流量計、６４ 圧力計、６６ 冷却水温度計、６８ 電流検出器、７０ 電圧検出器、８０ 制御装置、８２ モードスイッチ、８４ 車速センサ、８６ ＦＣ運転制御部、８８ 流体駆動装置駆動処理部、９０ 未使用時間判断モジュール、９２ 運転モード判断モジュール、９４ インピーダンス判断モジュール、９６ ＦＣ温度判断モジュール、９８ 暗騒音判断モジュール。

Claims (3)

  1. 燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置と、
    燃料電池本体が発電運転中であるか否かを判断する運転状態判断手段と、
    燃料電池の運転トリップを計数し、１トリップ以上の予め定めた所定のトリップ数ごとに１回の割合で、且つ運転状態判断手段により燃料電池本体が発電運転中であると判断されたときに流体駆動装置を強制駆動する強制駆動手段と、
    燃料電池本体の温度を検出する温度検出手段と、
    燃料電池本体を構成する燃料電池セルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
    を備え、
    強制駆動手段は、
    温度検出手段により測定された燃料電池本体の温度が予め定めた所定の温度範囲を超えて高いときは、流体駆動装置の強制駆動を禁止する運転判断モジュールと、
    インピーダンス検出手段により測定された燃料電池セルのインピーダンスが予め定めた所定の範囲内を超えて高いときは流体駆動装置の強制駆動を禁止するインピーダンス判断モジュールと、
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 燃料電池本体に接続される流体径路に設けられる流体駆動装置と、
    燃料電池本体が発電運転中であるか否かを判断する運転状態判断手段と、
    流体駆動装置の不使用時間を計数し、不使用時間が予め定めた所定の時間を超えるときであって、且つ運転状態判断手段により燃料電池本体が発電運転中であると判断されたときに流体駆動装置を強制駆動する強制駆動手段と、
    燃料電池本体の温度を検出する温度検出手段と、
    燃料電池本体を構成する燃料電池セルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
    を備え、
    強制駆動手段は、
    温度検出手段により測定された燃料電池本体の温度が予め定めた所定の温度範囲を超えて高いときは、流体駆動装置の強制駆動を禁止する運転判断モジュールと、
    インピーダンス検出手段により測定された燃料電池セルのインピーダンスが予め定めた所定の範囲内を超えて高いときは流体駆動装置の強制駆動を禁止するインピーダンス判断モジュールと、
    を有することを特徴と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において、
    暗騒音に関係する関係量を測定する暗騒音測定手段と、
    暗騒音測定手段により測定された暗騒音に関係する関係量が予め定めた範囲を超えて暗騒音が大きいと判断されるときに流体駆動装置を強制駆動する暗騒音判断モジュールを有することを特徴とする燃料電池システム。
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