(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、排気排水弁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技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、冷媒と、気液分離器と、排気排水弁と、制御部とを備える。制御部は、排気排水弁から排出されるアノードオフガスの排気速度Ａを取得する排気速度取得部と、冷媒の温度が所定の温度以上である暖機状態において取得される排気速度Ａ１に基づいて、閾値速度である排気速度Ｂを設定する閾値速度設定部と、閾値速度設定部による排気速度Ｂの設定後であり、環境温度が氷点下である場合に取得された排気速度Ａ２と、設定されている閾値速度との比較を実行することにより排気排水弁が正常に開弁するか否かを判定する正常開弁判定を実行する排気排水弁正常判定部と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の温度を調整する冷媒と、
前記燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる気体と水分とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器の下流に設けられ、前記気液分離器からの水分の排出を制御する排気排水弁と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記排気排水弁から排出されるアノードオフガスの排気速度を排気速度Ａとして取得することが可能な排気速度取得部と、
前記冷媒の温度が所定の温度以上である暖機状態において前記排気速度取得部により取得される前記排気速度Ａである排気速度Ａ１に基づいて、閾値速度である排気速度Ｂを設定する閾値速度設定部と、
前記閾値速度設定部による前記排気速度Ｂの設定が行われた後であって環境温度が氷点下である場合における前記排気速度Ａである排気速度Ａ２と、前記排気速度Ｂと、の比較を実行することにより、前記排気排水弁が正常に開弁するか否かを判定する正常開弁判定を実行する排気排水弁正常判定部と、
を有する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記排気速度取得部は、前記暖機状態において前記排気速度Ａ１を複数回取得し、
前記閾値速度設定部は、前記排気速度取得部により取得された複数の前記排気速度Ａ１のうち、最も大きな値を前記排気速度Ｂに設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記閾値速度設定部は、前記燃料電池システムの初回起動時に、前記排気排水弁の設計公差から算出される排気速度のうち、最も小さな値に基づき前記排気速度Ｂを設定する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記正常開弁判定の前に補正処理を実行することが可能であって、
前記補正処理は、前記排気速度Ａ２に対応する前記アノードオフガスの密度である第１のガス密度と、前記排気速度Ｂに対応する前記アノードオフガスの密度である第２のガス密度と、が一致するように前記排気速度Ａ２および前記排気速度Ｂのうちの少なくとも一方を補正する処理である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路のガス圧を測定する圧力センサをさらに備え、
前記排気速度取得部は、前記圧力センサにより測定された前記ガス圧の変化量を利用して前記排気速度Ａを算出する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス供給路に接続される流路であって前記気液分離器を通過後の前記アノードオフガスを前記燃料電池に供給するための流路である燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス供給路に設けられた燃料供給用のインジェクタと、前記燃料ガス循環流路に設けられ前記燃料電池に前記アノードオフガスを供給するための燃料ガス循環ポンプと、をさらに備え、
前記閾値速度設定部は、前記排気排水弁が開弁している間であって、前記燃料ガス循環ポンプの回転数が一定であり、かつ、前記インジェクタによる前記燃料ガス供給路への燃料ガスの供給が停止した間に前記圧力センサにより測定された前記ガス圧の変化量に基づいて、前記排気速度Ａを算出する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５９９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）上述した課題を解決するため、本開示の一形態として、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、前記燃料電池の温度を調整する冷媒と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる気体と水分とを分離する気液分離器と、前記気液分離器の下流に設けられ、前記気液分離器からの水分の排出を制御する排気排水弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記排気排水弁から排出されるアノードオフガスの排気速度を排気速度Ａとして取得することが可能な排気速度取得部と、前記冷媒の温度が所定の温度以上である暖機状態において前記排気速度取得部により取得される前記排気速度Ａである排気速度Ａ１に基づいて、閾値速度である排気速度Ｂを設定する閾値速度設定部と、前記閾値速度設定部による前記排気速度Ｂの設定が行われた後であって環境温度が氷点下である場合における前記排気速度Ａである排気速度Ａ２と、前記排気速度Ｂと、の比較を実行することにより、前記排気排水弁が正常に開弁するか否かを判定する正常開弁判定を実行する排気排水弁正常判定部と、を有する。
かかる形態によれば、排気速度を用いて排気排水弁の正常開弁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、排気速度取得部により取得される排気速度Ａ１に基づいて閾値速度である前記排気速度Ｂを設定する閾値速度設定部を備えるので、予め所定値として閾値速度が設定されている構成に比べて、排気排水弁の個体差や経時変化が生じる状況において排気排水弁が正常に開弁するか否かの判定の精度が低下することを抑制できる。例えば、設計公差により複数の排気排水弁において開口面積にばらつきがあるにも関わらず、閾値速度として予め所定値が設定されている構成や、排気排水弁の開口部に汚れが付着する等の経時変化によって開口面積が低減しているにも関わらず予め設定されている所定値を閾値速度として継続して用いる構成に比べて、判定精度の低下を抑制できる。また、設定される閾値速度の基となる排気速度は暖機状態において取得された排気速度Ａ１であるので、排気排水弁の凍結が抑制された状態において取得された排気速度Ａ１に基づいて閾値速度を設定することができる。このため、排気排水弁が凍結しておらず正常に開弁可能な状態における排気速度Ａ１に基づき閾値速度を設定できるので、排気排水弁が正常に開弁するか否かの判定精度が低下することを抑制できる。また、飽和水蒸気圧は温度によって指数関数的に増加する。そのため、燃料電池の冷媒の温度が所定の温度以上になり、燃料電池が暖機された状態と考えられる暖機状態になると、排出されるガスに含まれ得る水蒸気の量が増える。したがって、暖機状態では、燃料電池から排出される水の大部分が水蒸気として排出されるので、排気排水弁から液水が排出されることが抑制される。このため、排気排水弁から液水が排出されるためにガスが排出されず、排気速度が排気排水弁の実力値よりも低減した状態において、閾値速度の基となる排気速度Ａ１が取得されることを抑制できる。したがって、閾値速度として正確な値を設定できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記排気速度取得部は、前記暖機状態において前記排気速度Ａ１を複数回取得し、前記閾値速度設定部は、前記排気速度取得部により取得された複数の前記排気速度Ａ１のうち、最も大きな値を前記排気速度Ｂに暖機状態設定していてもよい。
かかる形態によれば、排気速度取得部により取得された複数の排気速度Ａ１のうち、最も大きな値を排気速度Ｂに設定するので、氷等の異物が排気排水弁に存在しない可能性のより高い状態、或いは、気液分離器に溜まった水を液体の水として排出しておらず、かかる排水により排気速度が低下していない可能性のより高い状態の排気速度を、排気速度Ｂとして設定できる。このため、より正確に排気排水弁が正常に開弁しているか判定することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記閾値速度設定部は、前記燃料電池システムの初回起動時に、前記排気排水弁の設計公差から算出される排気速度のうち、最も小さな値に基づき前記排気速度Ｂを設定してもよい。
排気排水弁等部品の製造時には、設計公差の範囲内で個体ばらつきが生じる。これにより、排気排水弁の開口面積にばらつきが生じる。しかし、上記形態によれば、設計公差から算出される排気速度のうち、最も小さな値に基づき閾値速度を設定するので、排気排水弁の開口面積が最も小さい場合であっても、正常状態であるにも関わらず排気排水弁が閉塞していると誤判定することを抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記正常開弁判定の前に補正処理を実行することが可能であって、前記補正処理は、前記排気速度Ａ２に対応する前記アノードオフガスの密度である第１のガス密度と、前記排気速度Ｂに対応する前記アノードオフガスの密度である第２のガス密度と、が一致するように排気速度Ａ２および排気速度Ｂのうちの少なくとも一方を補正する処理を実行してもよい。
アノードオフガスの温度や燃料電池の状態によって、アノードオフガスの組成は変化する。ガスの組成の変化によってアノードオフガスの平均分子量が変化するため、排気速度Ａは変化する。しかし、上記形態によれば、の排気速度Ａ２に対応するアノードオフガスの密度と、排気速度Ｂに対応するアノードオフガスの密度と、が一致するように排気速度Ａ２および排気速度Ｂのうちの少なくとも一方を補正する処理を実行するので、排気速度Ａ２が取得された時と、排気速度Ｂが取得された時とにおけるアノードオフガスの組成の相違に起因する排気速度Ａの変化をキャンセルでき、正常開弁判定の判定精度を向上できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路のガス圧を測定する圧力センサをさらに備え、前記排気速度取得部は、前記圧力センサにより測定された前記ガス圧の変化量を利用して前記排気速度Ａを算出する。
かかる形態によれば、圧力センサにより測定されたガス圧の変化量を利用して排気速度を算出するので、圧力センサの測定値を、正常開弁判定および排気速度Ｂの設定以外の燃料電池システムの制御に利用する構成においては、排気速度を取得するために新たな装置を追加して設ける必要が無い。このため、燃料電池システムの製造コストを抑えることができる。
（６）前記燃料ガス供給路に接続される流路であって前記気液分離器を通過後の前記アノードオフガスを前記燃料電池に供給するための流路である燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス供給路に設けられた燃料供給用のインジェクタと、前記燃料ガス循環流路に設けられ前記燃料電池に前記アノードオフガスを供給するための燃料ガス循環ポンプと、をさらに備え、前記閾値速度設定部は、前記排気排水弁が開弁している間であって、前記燃料ガス循環ポンプの回転数が一定であり、かつ、前記インジェクタによる前記燃料ガス供給路への燃料ガスの供給が停止した間に前記ガス圧センサにより測定された前記ガス圧の変化量に基づいて、前記排気速度Ａを算出する。
かかる形態によれば、排気排水弁が開弁している間であって、燃料ガス循環ポンプの回転数が一定であり、インジェクタによる燃料ガス供給路への燃料ガスの供給が停止した間にガス圧センサにより測定されたガス圧の変化量を利用して、排気速度が算出されるので、燃料ガス供給路のガス圧を変動させる要素が少ない状況において測定されたガス圧の変化量を利用して排気速度を算出できる。このため、より正確に排気速度を算出することができ、より正確に排気排水弁が正常に開弁しているか判定することができる。
【０００７】
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、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの制御方法、排気排水弁の正常性判定方法、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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概念図。
【図３】第１実施形態における正常開弁判定処理のフローチャート。
【図４】氷点下始動処理のフローチャート。
【図５】排気排水弁の開状態における特性を示すグラフ。
【図６】第１実施形態における閾値速度更新処理のフローチャート。
【図７】暖機状態および氷点下始動時のアノードオフガスのガス組成を示す説明図。
【図８】第２実施形態における閾値速度更新処理のフローチャート。
【図９】第２実施形態における正常開弁判定処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本開示の実施形態について説明する。なお、以下に示す形態は例示であり、本開示は以下に示す形態に限定されない。
【００１０】
Ａ．第１実施形態
Ａ１．システム構成
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載され、図示しない駆動用モータに電力を供給する。燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、酸化剤ガス給排系３０と、燃料ガス給排系５０と、冷媒循環系７０と、制御装置６０とを備える。
【００１１】
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開弁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、正常開弁判定処理などに用いられる閾値速度等の各種閾値が記憶される。
【００１２】
燃料電池１５は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、積層方向に沿って積層された複数の単セル（後述の単セル１５１）から成るセルスタックと、セルスタックの両端に配置されて総合電極として機能する一対の集電板と、集電板に対して積層方向外側に配置されているエンドプレートとを備える。各単セルは、固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガスと、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応によって、電力を発生する。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。触媒電極層は、触媒、例えば、白金を担持したカーボン粒子を含んで構成される。単セルにおいて両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体が用いられる。燃料電池１５の内部には、燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させるための図示しないマニホールドが積層方向に沿って形成されている。エンドプレートは、厚さ方向が積層方向と一致する略板状の外観形状を有する。エンドプレートはセルスタックおよび一対の集電板を挟持する機能と、セルスタック内のマニホールドに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、また、これらの媒体を排出するための流路を提供する機能とを有する。燃料電池１５から出力される電力は、図示しない負荷装置に供給される。本実施形態において、負荷装置とは、上述した駆動用モータや各種補機類等を意味する。負荷装置は、燃料電池１５の正極側および負極側の集電板にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１３】
酸化剤ガス給排系３０は、燃料電池１５への酸化剤ガスの供給および燃料電池１５からのカソードオフガスの排出を行う。酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給系３０Ａと酸化剤ガス排出系３０Ｂとを備える。酸化剤ガス供給系３０Ａは、燃料電池１５に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給系３０Ａは、酸化剤ガス供給路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。
【００１４】
酸化剤ガス供給路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、酸化剤ガス供給路３０２においてコンプレッサ３３よりも上流側に設けられ、燃料電池１５に供給される酸化剤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、酸化剤ガス供給路３０２においてコンプレッサ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酸化剤ガスを冷却する。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、酸化剤ガス供給路３０２から燃料電池１５に向かう酸化剤ガスの流量と、酸化剤ガス供給路３０２から分岐し燃料電池１５を経由しないバイパス路３０６を流れる酸化剤ガスの流量とを調整する。バイパス路３０６を流通する酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路３０８を経由して大気中に排出される。
【００１５】
酸化剤ガス排出系３０Ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス排出系３０Ｂは、酸化剤ガス排出路３０８と、バイパス路３０６と、調圧弁３７とを有する。酸化剤ガス排出路３０８は、燃料電池１５から排出された酸化剤ガスを含むカソードオフガスや、バイパス路３０６を流通した酸化剤ガスを大気中に排出するための配管により構成されている。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、酸化剤ガス排出路３０８においてバイパス路３０６との接続箇所よりも上流側に設けられている。酸化剤ガス排出路３０８の下流側端部にはマフラー３１０が配置されている。
【００１６】
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給系５０Ａと、燃料ガス循環系５０Ｂと、燃料ガス排出系５０Ｃとを備える。
【００１７】
燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池１５に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、燃料ガスタンク５１と、燃料ガス供給路５０１と、主止弁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、を備える。燃料ガスタンク５１は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。燃料ガス供給路５０１は、燃料ガスタンク５１と燃料電池１５とに接続され、燃料ガスタンク５１から燃料電池１５に向かう燃料ガスが流通する配管により構成されている。主止弁５２は、開弁状態において燃料ガスタンク５１の燃料ガスを下流へと流通させる。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５４よりも上流側における燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ５４は、燃料ガス供給路５０１において、後述する燃料ガス循環路５０２との合流地点よりも上流側に設けられている。インジェクタ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に供給される燃料ガス供給量を調整する。圧力センサ５９は、燃料ガス供給路５０１においてインジェクタ５４よりも下流側の内部圧力を計測する。計測結果は制御装置６０に送信され、後述の正常開弁判定処理および閾値速度更新処理において用いられるほか、燃料ガスの噴射制御等においても用いられる。
【００１８】
燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスを燃料ガス供給路５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料ガス循環路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。燃料ガス循環路５０２は、燃料電池１５と燃料ガス供給路５０１とに接続され、燃料ガス供給路５０１に向かうアノードオフガスが流通する配管により構成されている。気液分離器５７は、燃料ガス循環路５０２に設けられ、水が混ざったアノードオフガスから液体の水を分離する。循環ポンプ５５は、モータ５６を駆動させることで燃料ガス循環路５０２内のアノードオフガスを燃料ガス供給路５０１に向かって循環させる。循環ポンプ５５は、本開示における燃料ガス循環ポンプの下位概念に相当する。
【００１９】
燃料ガス排出系５０Ｃは、アノードオフガスおよび燃料電池１５の発電によって生じた水を大気中へ排出する。燃料ガス排出系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、水を排出する気液分離器５７の排出口と、酸化剤ガス排出路３０８とを連通する配管である。
【００２０】
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、予め定められ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５４を開閉制御して燃料ガスを下流側へと供給する通常排気処理を実行する。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水と共に排気排水路５０４および酸化剤ガス排出路３０８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の貯水量が予め定めた液水量以上となったタイミングである。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。
【００２１】
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える。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。
【００２２】
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により構成されている。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により構成されている。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され、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、制御装置６０に送信される。
【００２３】
制御部６２は、図示しないＣＰＵを備える。かかるＣＰＵは、記憶部６４に予め記憶されているプログラムを実行することにより排気速度取得部６６、排気排水弁正常判定部６８、および閾値速度設定部６９として機能する。排気速度取得部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速度を算出することで排気速度Ａを取得する。排気速度の算出方法については後述する。排気排水弁正常判定部６８は、排気速度取得部６６が取得した排気速度Ａ２を用いて排気排水弁５８の正常開弁判定を行う。排気速度Ａ２は、後述するように環境温度が氷点下である場合に排気速度取得部６６により取得される排気速度Ａを意味する。正常開弁判定については後述する。閾値速度設定部６９は、閾値速度を設定する。閾値速度とは、正常開弁判定において、排気速度取得部６６により取得された排気速度Ａ２と比較される排気速度Ｂを意味する。閾値速度の詳細については後述する。上述の「Ａ」、「Ａ２」、「Ｂ」および後述の「Ａ１」は、いずれも同じ用語「排気速度」を弁別するために便宜上用いられる符号に過ぎない。
【００２４】
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、ＦＣＤ９５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。
【００２５】
セル電圧計９１は、燃料電池１５の全ての単セル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。
【００２６】
ＦＤＣ９５は、ＤＣ／ＡＣコンバータとして構成された回路である。ＦＣＤ９５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電流指令値を算出することで電流指令値を生成する。
【００２７】
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。
【００２８】
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を行う。ＢＤＣ９７は、ＦＤＣ９５と共にＤＣ／ＡＣコンバータとして構成された回路であり、制御部６２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）を計測し、制御装置６０に送信する。
【００２９】
Ａ２．正常開弁判定処理
図３は、第１実施形態における正常開弁判定処理を示すフローチャートである。正常開弁判定処理は、排気排水弁５８が正常に開弁するか否かを判定する処理である。本実施形態において、正常開弁判定処理は、燃料電池車両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。なお、正常開弁判定処理は、始動時以降の予め定めたタイミングで実行されてもよい。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、横軸は排気時間である。
【００３０】
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、図１に示す温度センサ７３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の近傍に温度センサを配置することで取得できる。
【００３１】
ステップＳ１０において環境温度が氷点下でないと判定された場合には（ステップＳ１０：ＮＯ）、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、燃料電池車両の車内のモニターなどに燃料電池車両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。他方、ステップＳ１０において環境温度が氷点下であると成された場合には（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、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。
【００３２】
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。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。
【００３３】
図３に示すように、排気排水弁５８が開弁指示を受信した場合に、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速度Ａ２が、予め定めた閾値速度以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０では、アノードオフガスの排気速度と予め定めた閾値速度は、質量流量に基づく排気速度で比較してもよいし、体積流量に基づく排気速度で比較してもよい。
【００３４】
閾値速度は、記憶部６４に記憶されている。かかる閾値速度は、後述する閾値速度更新処理において更新される。閾値速度の初期値および閾値速度更新処理の詳細は、後述する。図５に示すように、閾値速度Ｌｓ［ｍ３／ｓｅｃ］は、排気排水弁５８が開弁状態のときの排気速度の設計値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（開口面積）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。閾値速度Ｌｓは、燃料ガスの目標供給圧力において、制御部６２が排気排水弁５８の開弁指示を送信してから予め定めた時間経過したときに、通常排気処理において排気されたアノードオフガスの積算値である目標排気速度に到達できる排気速度に設定されている。例えば、閾値速度Ｌｓは、排気排水弁５８の開通率が５０％のときの排気速度に設定されている。本実施形態において、開通率が５０％の場合、温度センサ７３で計測する燃料電池１５の温度が０℃、燃料ガスの目標供給圧が２００ｋＰａ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められる。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、閾値速度Ｌｓは、０．１Ｌ／０．３ｓｅｃに設定されている。この閾値速度Ｌｓは、燃料電池の温度と、燃料ガスの目標供給圧とに応じて変更してもよい。
【００３５】
図５に示すＬｃ１は、排気排水弁５８の設計公差において最も開口面積が小さく、排出される排気速度が最も低い排気排水弁５８が開弁状態のときの排気速度の設計値である。これに対して、Ｌｃ２は、排気排水弁５８の設計公差において最も開口面積が大きく、排出される排気速度が最も高い排気排水弁５８が開弁状態のときの排気速度の設計値である。図５に示すように、排気排水弁５８が開通率１００％のときの排気速度Ｌｃは、設計公差を考慮するとＬｃ１からＬｃ２まで幅がある。そこで、本実施形態では、閾値速度Ｌｓの初期値は、設計公差において排気速度が最も低い排気排水弁５８が開通率１００％のときの排気速度Ｌｃ１に基づき設定される。例えば、排気速度Ｌｃ１に対して所定割合だけ低減させた速度として閾値速度Ｌｓが設定される。所定割合としては、例えば、２０％など任意の値を設定してもよい。このように閾値速度Ｌｓの初期値を設定することにより、排気排水弁５８の開口部が閉塞していないにも関わらず、開口面積が小さいために排気排水弁５８の排気速度が閾値速度よりも低くなり、排気排水弁５８の開口部が閉塞していると誤判定するのを抑制できる。なお、閾値速度Ｌｓの初期値は、排気速度Ｌｃ１に限らず、排気速度Ｌｃ１以上Ｌｃ２以下の任意の値に基づき設定してもよい。
【００３６】
排気速度Ａ２は、排気速度取得部６６によって取得される。本実施形態では、排気速度取得部６６は、図示しないタイマーの計時情報と、圧力センサ５９の測定値とを利用して、以下の式（１）〜（４）を用いて排気速度Ａ２を算出して取得する。
【００３７】
Ｐｖ＝ｆ（Ｑｉｎ−Ｑｃｒｓ−ＱＦＣ−Ｑｅｘ）・・・式（１）
ここで、Ｐｖは、燃料ガス供給路５０１内の燃料ガスの圧力低下速度［Ｐａ／ｓｅｃ］である。Ｐｖは、圧力センサ５９の計測値を時間で微分して求められる。また、Ｑｉｎはインジェクタ５４から下流側に供給される燃料ガスの供給流量［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燃料ガス速度［ｍ３／ｓｅｃ］であり、Ｑｅｘは排気排水弁５８から排出される排気速度Ａ２［ｍ３／ｓｅｃ］であり、ｆは所定の関数を表す。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５４を挟む流路の上流側と下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５４の動作停止中、すなわち、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」とみなしてよい。インジェクタ５４の動作停止中とは、例えば、いわゆる間欠運転中にインジェクタ５４の動作が停止している間などが該当する。間欠運転とは、低負荷状態において触媒層に用いられる触媒の劣化を抑制するために間欠的に水素ガスを供給する運転を意味する。
【００３８】
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モルあたりの体積［ｍ３／ｍｏｌ］である。
【００３９】
上記式（１）の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５４の下流側における燃料ガスが流通できる容積［ｍ３］であり、具体的には、燃料ガス供給路５０１のインジェクタ５４よりも下流側、燃料ガス循環路５０２、および、気液分離器５７を合わせた容積である。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。
【００４０】
制御部６２は、上記式（４）に上記式（２）を代入して、排気速度Ａ（Ｑｅｘ）を算出する。ただし、燃料電池１５が発電していないときは、ＱＦＣは「０」である。
【００４１】
ステップＳ３０において、排気排水弁正常判定部６８は、排気速度Ａ２（Ｑｅｘ）と閾値速度Ｌｓとを比較し、正常に開弁するか否かの正常開弁判定を行う。具体的には、排気排水弁正常判定部６８は、算出した排気速度Ａ２（Ｑｅｘ）が閾値速度Ｌｓと比較して、閾値速度Ｌｓ以上であれば（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、排気排水弁５８が正常に開弁しているという正常開弁判定を行う（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からの排気速度Ａ２（Ｑｅｘ）が、予め定めた閾値速度Ｌｓ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の後に上述のステップＳ５０を実行する。
【００４２】
一方で、排気速度Ａ２（Ｑｅｘ）が閾値速度Ｌｓ未満である場合には（ステップＳ３０：ＮＯ）、排気排水弁正常判定部６８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、排気排水弁正常判定部６８は、排気排水弁５８に対して開弁指示を行っている状態で、排気排水弁５８からの排気速度Ａ２（Ｑｅｘ）が予め定めた閾値速度Ｌｓよりも低い場合に異常判定を行う。この場合、制御部６２は、排気排水弁５８に異常があることを運転者に報知し（ステップ７０）、車両走行許可を実行することなく正常開弁判定処理を終了する。
【００４３】
以上の正常開弁判定処理において判定精度の低下を抑制するためには、閾値速度Ｌｓの設定値が重要となる。上述のように、本実施形態では、閾値速度Ｌｓの初期値は、設計公差において最も開口面積が小さい排気排水弁５８が開通率１００％のときの排気速度Ｌｃ１に基づき設定されている。しかし、このような初期値では、開口面積が比較的大きな個体（排気排水弁５８）については、実際には異物の噛み込みが発生して開口部が部分的に閉塞しているにも関わらず、正常であると誤判定されるおそれがある。また、経時変化によって排気排水弁５８の開口部に汚れや異物が堆積して開口面積が減少した場合にも、初期値の閾値速度では正しく判定できないおそれがある。そこで、本実施形態では、後述の閾値速度更新処理を行うことによって、閾値速度を更新するようにしている。
【００４４】
Ａ３．閾値速度更新処理
図６は、本実施形態における閾値速度更新処理のフローチャートである。閾値速度設定処理は、燃料電池車両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。
【００４５】
閾値速度設定部６９は、温度センサ７３によって測定した冷媒循環路７９内を流れる冷媒の温度（以下、単に「冷媒温度」と呼ぶ）が予め定められた温度以上である状態（以下、「暖機状態」と呼ぶ）であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。具体的には、冷媒温度が６０℃以上になった場合に暖機状態であると判定する。燃料電池車両が走行中には、燃料電池１５の廃熱により冷媒温度は６０℃以上になり得る。この場合、例えば氷点下環境に比べて飽和水蒸気量が大きいため、燃料電池１５から排出される水の大部分は、水蒸気として排出されることとなる。なお、６０℃に限らず、排気排水弁５８から排出される水の大部分が水蒸気となる状況における任意の冷媒の温度を、ステップＳ１００における判定閾値温度としてもよい。
【００４６】
暖機状態であると判定された場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、閾値速度設定部６９は、予め定めた一定時間において、温度センサ７３により測定される冷媒温度が一定であるか否かを判定し（ステップＳ１１０）、一定であると判定された場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、燃料ガス循環系５０Ｂを流れるアノードオフガスの流量が一定であるか否かを判定し（ステップＳ１２０）、一定であると判定された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、インジェクタ５４による水素ガスの噴射がないか否かを判定する（ステップＳ１３０）。冷媒温度は、冷媒循環ポンプ７４の回転数や、燃料電池車両の走行環境によって変動し、また、一定になり得る。また、燃料ガス循環系５０Ｂを流れるアノードオフガスの流量は、冷媒循環ポンプ７４の回転数が一定の場合に一定になり得る。また、かかる流量は、冷媒循環ポンプ７４が停止している状態においても一定になり得る。インジェクタ５４による水素ガスの噴射が無い場合は、例えば、上述のように、間欠運転実行中において起こり得る。
【００４７】
閾値速度設定部６９は、排気排水弁５８が開弁しているか否かを判定する（ステップＳ１４０）。本実施形態において、排気排水弁５８は、断続的に開閉動作を行う。例えば、１分間に数１００ｍｓｅｃ（ミリ秒）〜１ｓｅｃ（秒）程度開動作を行う。
【００４８】
排気排水弁５８が開弁していると判定された場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、排気速度取得部６６は、排気排水弁５８における排気速度Ａ１を取得する（ステップＳ１５０）。排気速度取得部６６は、上述した式（１）〜（４）を用いて排気速度Ａ１を算出することにより取得する。排気速度Ａ１は、暖機状態において排気速度取得部６６により取得される排気速度Ａを意味する。暖機状態では、排気排水弁５８は、凍結しておらず正常に開弁できる。したがって、排気速度Ａ１は、正常状態における排気速度Ａともいえる。
【００４９】
閾値速度設定部６９は、ステップＳ１５０で取得された排気速度Ａ１に基づき排気速度Ｂを求め、閾値速度を排気速度Ｂに更新する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０の実行後、ステップＳ１００に戻る。したがって、ステップＳ１１０〜Ｓ１４０の条件が満たされている間は、閾値速度は繰り返し更新されることとなる。このようにして更新された閾値速度は、次回の正常開弁判定処理のステップＳ３０において用いられることとなる。
【００５０】
上述のステップＳ１００において、暖機状態でないと判定された場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、ステップＳ１１０において冷媒温度が一定でないと判定された場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ステップＳ１２０においてアノード循環流量が一定でないと判定された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１３０においてインジェクタによる水素ガスの噴射があると判定された場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、およびステップＳ１４０において排気排水弁５８が開弁していないと判定された場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、上述のステップＳ１００に戻る。したがって、これらの場合には、閾値速度は更新されないこととなる。
【００５１】
以上説明した第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、排気速度Ｂを用いて排気排水弁５８の正常開弁判定を実行することで、排気排水弁５８が正常に開弁するか否かの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５８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、排気速度Ａを用いて正常開弁判定を行うことで、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にも、正常開弁判定を正しく行うことができる。
【００５２】
また、排気速度取得部６６により取得される排気速度Ａ１に基づいて閾値速度である排気速度Ｂを設定する閾値速度設定部６９を備えるので、予め所定値として閾値速度が設定されている構成に比べて、排気排水弁５８の個体差や経時変化が生じる状況において排気排水弁５８が正常に開弁するか否かの判定の精度が低下することを抑制できる。例えば、設計公差により複数の排気排水弁５８において開口面積にばらつきがあるにも関わらず、閾値速度として予め所定値が設定されている構成や、排気排水弁５８の開口部に汚れが付着する等の経時変化によって開口面積が低減しているにも関わらず予め設定されている所定値を閾値速度として継続して用いる構成に比べて、判定精度の低下を抑制できる。
【００５３】
また、閾値速度の初期値は、排気排水弁５８の開口面積の設計公差において排気速度が最も低い排気排水弁５８の排気速度Ｌｃ１に基づき設定されているので、排気排水弁５８の開口部が閉塞していないにも関わらず、開口面積が小さいために排気速度が閾値速度よりも低くなり、排気排水弁５８の開口部が閉塞していると誤判定するのを抑制できる。
【００５４】
また、排気速度Ａ１は暖機状態において取得された排気速度であるので、排気排水弁５８の凍結が抑制された状態において取得された排気速度Ａ１に基づいて閾値速度を設定することができる。このため、排気排水弁５８が凍結しておらず正常に開弁可能な状態における排気速度Ａに基づき閾値速度を設定できるので、排気排水弁５８が正常に開弁するか否かの判定精度が低下することを抑制できる。また、暖機状態では、冷媒温度が所定の温度以上であるため、飽和水蒸気圧が高く、アノードオフガス中に含まれ得る水蒸気の量が増えるので、排気排水弁５８から液水が排出されることが抑制される。このため、排気排水弁５８から液水が排出されるためにガスが排出されず、排気速度が排気排水弁５８の実力値よりも低減した状態において取得された排気速度Ａが、閾値速度（排気速度Ｂ）として設定されることを抑制できる。したがって、閾値速度として正確な値を設定できる。
【００５５】
また、排気速度取得部６６は、圧力センサ５９により測定されたガス圧の変化量を利用して排気速度Ａ（排気速度Ａ１およびＡ２）を算出するので、排気速度を取得するために新たな装置を追加して設ける必要が無い。このため、燃料電池システムの製造コストを抑えることができる。
【００５６】
また、排気排水弁５８が開弁している間であって、循環ポンプ５５の回転数が一定であり、インジェクタ５４による燃料ガス供給路５０１への燃料ガスの供給が停止した間に圧力センサ５９により測定されたガス圧の変化量を利用して排気速度Ａ１が算出されるので、燃料ガス供給路５０１のガス圧を変動させる要素が少ない状況において測定されたガス圧の変化量を利用して排気速度Ａ１を算出できる。このため、正常状態における排気排水弁５８の実力としての排気速度をより正確に測定することができ、排気排水弁５８が正常に開弁しているかをより正確に判定できる。
【００５７】
Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態の燃料電池システム１０の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形態の燃料電池システム１０は、正常開弁判定処理および閾値速度更新処理の手順において、第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。第２実施形態の燃料電池システム１０では、閾値速度更新処理にて更新された閾値速度を、正常開弁判定処理において用いる際に、アノードオフガスの密度に基づき補正した上で用いる。この閾値速度の補正の意義について、図７を参照して以下説明する。
【００５８】
図７は、暖機状態および氷点下始動時のアノードオフガスのガス組成を示す説明図である。閾値速度が更新される暖機状態においては、環境温度が比較的高いためにアノードオフガスには水蒸気が含まれる。このため、暖機状態のアノードオフガスは、水素ガスと、窒素ガスと、水蒸気とから構成される。水素ガスは、各単セル１５１における電気化学反応で用いられなかった余剰の水素ガスが該当する。窒素ガスは、燃料電池１５に供給された酸化剤ガスのうち、各単セル１５１においてカソード側から電解質膜を透過してアノード側へと移動した窒素ガスが該当する。水蒸気は、各単セル１５１における電気化学反応によりカソード側にて生じた水が電解質膜を透過してアノード側に移動した水から生じる水蒸気が該当する。
【００５９】
他方、氷点下始動時には、飽和水蒸気量が小さいため、燃料電池１５から排出される水は、ほとんどが凍結、または液水として排出される。したがって、氷点下始動時のアノードオフガスは、おおよそ水素ガスおよび窒素ガスのみから構成され、水蒸気は無視できる程度にしか含まれない。暖機状態の冷媒温度Ｔ１は、氷点下始動時の冷媒温度Ｔ２よりも高い。また、図７では、暖機状態の全圧Ｐ１は、氷点下始動時の全圧Ｐ２よりも大きいが、これに限られない。なお、図７では、水素の分圧ＰＨ２と、窒素の分圧ＰＮ２と、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏとを参考のため示している。
【００６０】
ここで、水素ガス、窒素ガス、水蒸気のそれぞれの分子量は互いに異なるため、組成如何によっては、アノードオフガスのガス密度は異なる。そして、一般にガス密度が高いほどアノードオフガスは排出され難く排気速度Ａは低くなる。これに対して、ガス密度が低いほどアノードオフガスは排出され易く排気速度Ａは高くなる。上述のように、暖機状態と氷点下始動時とでは、アノードオフガスの組成が異なるため、かかる組成の相違に起因して排気速度Ａの相違が生じる。したがって、暖機状態において更新された閾値速度を利用して氷点下始動時において開弁判定を行った場合に、判定精度の低下を招くおそれがある。そこで、第２実施形態の燃料電池システム１０では、閾値速度更新処理にて更新された閾値速度を、正常開弁判定処理において用いる際に、制御装置６０が、アノードオフガスの密度に基づいた補正処理を実行して用いるようにしている。以下、詳細な手順について、図８、９を用いて説明する。
【００６１】
図８は、第２実施形態における閾値速度更新処理のフローチャートである。第２実施形態における閾値速度更新処理は、ステップＳ１５５を追加して実行する点において、図６に示す第１実施形態における閾値速度更新処理と異なる。第２実施形態における閾値速度更新処理のその他の手順は、第１実施形態における閾値速度更新処理と同じであるので、同一の手順には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６２】
ステップＳ１５０が実行されて排気速度が取得された後、閾値速度設定部６９は、アノードオフガスの密度を特定して記憶部６４に記憶させる（ステップＳ１５５）。ステップＳ１５５の実行後、上述のステップＳ１６０が実行される。なお、本実施形態では、ステップＳ１５５において特定されるガス密度、すなわち、暖機状態におけるアノードオフガスのガス密度を、ガス密度ρ１と呼ぶ。以下、ガス密度ρ１の特定方法について説明する。
【００６３】
暖機状態におけるアノードオフガスのガス密度ρ１は、下記式（５）により求められる。
ρ１＝｛（ｎＨ２×ＭＨ２）＋（ｎＮ２×ＭＮ２）＋（ｎＨ２Ｏ×ＭＨ２Ｏ）｝／Ｖ・・・式（５）
式（５）において、Ｖは上記式（３）におけるＶと同じである。ｎＨ２は、燃料ガス供給路５０１のインジェクタ５４よりも下流側、燃料ガス循環路５０２、および、気液分離器５７内（以下、「アノード側循環系領域」と呼ぶ）に存在する水素ガスのモル数である。同様に、ｎＮ２はアノード側循環系領域内の窒素ガスのモル数であり、ｎＨ２Ｏはアノード側循環系領域内の水蒸気のモル数である。また、ＭＨ２は水素ガスの分子量であり、ＭＮ２は窒素ガスの分子量であり、ＭＨ２Ｏは水蒸気の分子量である。
【００６４】
水蒸気のモル数ｎＨ２Ｏは、気体の状態方程式に基づくと下記式（６）のように表される。
ｎＨ２Ｏ＝（ＰＨ２Ｏ×Ｖ）／（Ｒ×Ｔ）・・・式（６）
式（６）において、ＰＨ２Ｏは水蒸気分圧であり、Ｒは気体定数（８．３１４［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］であり、Ｔは冷媒温度である。暖機状態においては、ＰＨ２Ｏは、飽和水蒸気圧に等しいとみなすことができる。記憶部６４には、予め冷媒温度と飽和水蒸気圧との関係を示すテーブルが記憶されており、閾値速度設定部６９は、かかるテーブルを参照して、温度センサ７３の計測値に基づき飽和水蒸気圧を求める。そして、求められた飽和水蒸気圧をＰＨ２Ｏとして上記式（６）に代入して、水蒸気のモル数ｎＨ２Ｏを求める。
【００６５】
本実施形態において、アノード側循環系領域における窒素ガスのモル数ｎＮ２は、下記式（７）を用いて閾値速度設定部６９により定期的に算出されている。
【数１】
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式（７）において、ｎＮ２（ｔ＋１）は、ｔ＋１回目の算出時における窒素ガスのモル数である。また、ｎＮ２（ｔ）は、ｔ回目の算出時における窒素ガスのモル数である。また、ＱＮｉｎは、単位時間当たりのアノード側循環系領域への窒素ガスの流入量である。また、Ｑｅｘ１は、単位時間当たりのアノード側循環系領域から排出されるガスの総量、すなわちガスの排気速度Ａである。また、係数ｂ（ｔ）は、ｔ回目の算出時におけるアノード側循環系領域から排出されるガス中の窒素ガスの割合である。
【００６６】
ＱＮｉｎは、単位時間当たりのアノード側循環系領域への窒素ガスの流入量であり、単セル１５１を構成している電解質膜などの物性から予め特定される値である。本実施形態では、かかる値は、予め記憶部６４に記憶されており、閾値速度設定部６９は、かかる値を式（７）に代入する。Ｑｅｘ１は、上述の正常開弁判定処理のステップＳ３０において求められる排気速度Ａを意味する。本実施形態では、係数ｂ（ｔ）は、下記式（８）を用いて閾値速度設定部６９により定期的に算出されている。
ｂ（ｔ）＝ｎＮ２（ｔ）／ｎａｌｌ（ｔ）・・・式（８）
式（８）においてｂ（ｔ−１）は、前回（ｔ−１回目）の算出時における係数ｂである。また、ｎａｌｌ（ｔ）は、ｔ回目の算出時における単位時間当たりのアノード側循環系領域から排出されるガスの総モル数であり、Ｑｅｘ１と、気体の状態方程式から求められる。Ｑｅｘ１（ｔ−１）は、前回（ｔ−１回目）の算出時における単位時間当たりのアノード側循環系領域から排出されるガスの総量Ｑｅｘ１である。なお、ｂ（１）、すなわち、係数ｂ（ｔ）の初期値は、本実施形態では、燃料電池システム１０が前回停止する前に最後に算出された係数ｂの値が用いられる。なお、かかる値に代えて、大気中の窒素の割合、或いは、燃料電池システム１０の停止中であっても係数ｂを継続して算出する構成においては、最新の算出値を用いてもよい。
【００６７】
水素ガスのモル数ｎＨ２は、気体の状態方程式に基づくと下記式（９）のように表される。
ｎＨ２＝（ＰＨ２×Ｖ）／（Ｒ×Ｔ）・・・式（９）
式（６）において、ＰＨ２は水素ガスの分圧であり、Ｒは気体定数（８．３１４［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］であり、Ｔは冷媒温度である。ここで、水素ガスの分圧ＰＨ２は、下記式（１０）により求められる。
ＰＨ２＝Ｐａｌｌ−（ＰＮ２＋ＰＨ２Ｏ）・・・式（１０）
式（１０）においてＰａｌｌは、全圧である。窒素ガスの分圧ＰＮ２は、上記式（７）により求められた窒素ガスのモル数と、気体の状態方程式から算出できる。上述のように、暖機状態においては、ＰＨ２Ｏは、飽和水蒸気圧であるものとみなすことができる。閾値速度設定部６９は、飽和水蒸気圧をＰＨ２Ｏとして式（１０）に代入し、また、算出された窒素ガスの分圧ＰＮ２を式（１０）に代入することにより、水素ガスの分圧ＰＨ２を求める。このようにして求められた水素ガスの分圧ＰＨ２を式（９）に代入することにより、水素ガスのモル数ｎＨ２が求められる。
【００６８】
以上のようにして求められた水素ガスのモル数ｎＨ２と、窒素ガスのモル数ｎＮ２と、水蒸気のモル数ｎＨ２Ｏと、各ガスの分子量と、アノード側循環系領域の容積Ｖとを上記式（５）に代入することにより、暖機状態におけるアノードオフガスのガス密度ρ１は算出されて特定されることとなる。なお、各ガスの分子量は、予め記憶部６４に記憶されている。
【００６９】
図９は、第２実施形態における正常開弁判定処理のフローチャートである。第２実施形態における正常開弁判定処理は、ステップＳ１６およびＳ１７を追加して実行する点において、図３に示す第１実施形態における正常開弁判定処理と異なる。第２実施形態における正常開弁判定処理のその他の手順は、第１実施形態における正常開弁判定処理と同じであるので、同一の手順には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７０】
氷点下始動処理（ステップＳ１５）が実行された後、排気排水弁正常判定部６８は、アノードオフガスのガス密度を特定する（ステップＳ１６）。本実施形態では、ステップＳ１６において特定されるガス密度、すなわち、氷点下始動時におけるアノードオフガスのガス密度を、ガス密度ρ０と呼ぶ。ガス密度ρ０の特定方法は、上述のガス密度ρ１の特定方法と同様であるので、その詳細な説明を省略する。但し、氷点下始動時においては、図７を参照して説明したとおり、アノードオフガスは、おおよそ水素ガスおよび窒素ガスのみから構成され、水蒸気は無視できる程度にしか含まれない。したがって、上記式（５）〜（１０）において、水蒸気に係るパラメータは省略される。
【００７１】
排気排水弁正常判定部６８は、記憶部６４に記憶されているガス密度ρ１と、ステップＳ１６において特定されたガス密度ρ０とを用いて閾値速度を補正する（ステップＳ１７）。排気排水弁５８から排出されるアノードガスの排気速度Ａ（Ｑｅｘ）は、ガス密度の逆数の平方根に比例する。したがって、氷点下始動時の排気速度Ａ２をＱｅｘ0とし、閾値速度更新処理の実行時の排気速度ＢをＱｅｘ1とすると、これら２つの排気速度Ａについて、下記式（１１）が成り立つ。
【数２】
2020077457.tif 000004
上記式（１１）においてαは、定数であり、予め実験等により求められて記憶部６４に記憶されている。制御装置６０は、上記式（１１）に記憶部６４に記憶されているガス密度ρ１、閾値速度Ｑｅｘ1、および定数αを代入し、また、ステップＳ１６において特定されたガス密度ρ０を代入することにより、閾値速度Ｑｅｘ1を補正して氷点下始動時の閾値速度Ｑｅｘ0を求める。
【００７２】
このようにして閾値速度が補正された後は、図９に示すように上述したステップＳ３０以降の処理が実行される。したがって、ステップＳ３０の正常開弁判定では、算出された排気速度Ａ２が、補正後の閾値速度Ｑｅｘ0と比較されることとなる。このように、第２実施形態では、閾値速度更新処理により設定された閾値速度を、正常開弁判定処理のステップＳ１７において補正処理を実行することにより、閾値速度更新処理のステップＳ１５０において排気速度Ａ２に対応するガス密度である第１のガス密度と、閾値速度である排気速度Ｂに対応するガス密度である第２のガス密度とが、一致するように排気速度Ｂを補正する。
【００７３】
以上説明した第２実施形態の燃料電池システム１０によれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を奏する。加えて、正常開弁判定処理において、排気速度Ａ２の第１のガス密度と、排気速度Ｂの第２のガス密度と、が一致するように排気速度Ｂを補正する補正処理を実行するので、閾値速度である排気速度Ｂが取得された際と、排気速度Ａ２が取得された際とにおけるアノードオフガスの組成の相違に起因する排気速度の変化をキャンセルさせて、正常開弁判定処理の判定精度を向上できる。
【００７４】
Ｃ．その他の実施形態
上記実施形態における燃料電池システム１０の構成は、あくまでも一例であり、種々変更可能である。
（Ｃ１）上記各実施形態では、排気速度取得部６６は、圧力センサ５９により測定されたガス圧の変化量を利用して排気速度Ａ（Ｑｅｘ）を算出していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、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する構成とし、排気速度取得部６６は、かかる流量計の測定値を利用して排気速度Ａ（Ｑｅｘ）を取得してもよい。すなわち一般には、排気排水弁５８から排出されるアノードオフガスの排気速度を、任意の方法により取得可能な排気速度取得部６６を、本開示の燃料電池システム１０に用いてもよい。
【００７５】
（Ｃ２）上記各実施形態では、閾値速度更新処理のステップＳ１５０において１回取得された排気速度Ａ１に基づき求められた閾値速度により、ステップＳ１６０において閾値速度が更新されていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、ステップＳ１５０において排気速度Ａ１を複数回取得し、そのうち最も大きな排気速度Ａ１に基づき求められた閾値速度により、ステップＳ１６０において閾値速度を更新してもよい。また、例えば、燃料電池システム１０が起動してから終了するまでの間にステップＳ１５０が複数回実行される場合に、これら複数回のうち最も大きな排気速度Ａ１に基づき求められた閾値速度により、ステップＳ１６０において閾値速度を更新してもよい。かかる構成においては、例えば、ステップＳ１５０が実行される度に、取得された排気速度Ａ１に基づき閾値速度を求め、求められた閾値速度が記憶部６４に記憶されている閾値速度よりも大きい場合には更新し、小さい場合には更新しない手順としてもよい。これらの構成により、排気排水弁５８から排出される液水（液体状の水）が最小であり、排気排水弁５８の開弁期間において液水の排出に伴ってアノードオフガスの排出が抑制された状態の期間が最も短い場合の排気速度Ａ１を、閾値速度の基となる排気速度Ａ１として利用できる。このため、正常状態における排気排水弁５８の実力としての排気速度Ａ１をより正確に測定することができ、排気排水弁５８が正常に開弁しているかをより正確に判定できる。
【００７６】
（Ｃ３）上記第２実施形態では、排気速度Ｂを補正することにより、排気速度Ｂが取得された際のアノードオフガスの密度と、排気速度Ａ２が取得された際のアノードオフガスの密度と、が一致する場合における排気速度Ｂと排気速度Ａ２との比較を実行していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、排気速度Ａ２と排気速度Ｂとのうち、排気速度Ａ２のみを補正することにより、アノードオフガスの密度が一致する場合の排気速度Ａ２と排気速度Ｂとの比較を実行してもよい。かかる構成においては、ステップＳ１５５を省略すると共に、ステップＳ１６０において、ステップＳ１５０により取得された排気速度Ａ２を、上述の式（１１）を利用して補正し、ステップＳ１６０において補正後の排気速度Ａ２を閾値速度（排気速度Ｂ）として更新してもよい。この場合、氷点下始動時のアノードオフガスのガス密度ρ０として、予め想定される所定値を記憶部６４に記憶させておき、かかる所定値を利用してもよい。また、かかる構成においては、正常開弁判定処理のステップＳ１６およびＳ１７を省略できる。
【００７７】
また、例えば、排気速度Ａ２と排気速度Ｂとのうち、両方の排気速度を補正することにより、アノードオフガスの密度が一致する場合の排気速度Ａ２と排気速度Ｂとの比較を実行してもよい。かかる構成においては、例えば、暖機状態および氷点下始動時とは異なる所定の状態（以下、「第３の状態」と呼ぶ）でのガス密度ρ２を、予め特定しておく。そして、排気速度Ａ２と排気速度Ｂとをそれぞれ第３の状態での排気速度に換算し、換算後の排気速度Ａ２と換算後の排気速度Ｂとを比較してもよい。かかる換算は、上述の式（１１）を利用してもよい。また、この場合、定数αとして、第３の状態と暖機状態とで換算する場合の定数と、第３の状態と氷点下始動時とで換算する定数とを予め実験等により求めておいて用いてもよい。
【００７８】
（Ｃ４）上記各実施形態の閾値速度更新処理におけるステップＳ１１０、Ｓ１２０、およびＳ１３０のうちの少なくとも一部を省略してもよい。また、これらステップＳ１１０〜Ｓ１３０の判定において肯定の判定結果（ＹＥＳ）となるように、積極的に処理を行ってもよい。例えば、ステップＳ１１０において冷媒温度が一定であると判定されるように、冷媒循環ポンプ７４の回転数を制御してもよい。また、ステップＳ１２０においてアノード循環流量が一定であると判定されるように、循環ポンプ５５の回転数を制御してもよい。また、ステップＳ１３０においてインジェクタ５４の噴射が無いと判定されるように、インジェクタ５４の噴射を積極的に停止させてもよい。
【００７９】
（Ｃ５）上記各実施形態の閾値速度更新処理では、暖機状態であるか否かを、冷媒温度が所定の温度以上であるか否かにより判定していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、排気排水弁５８の近傍に温度センサを設ける構成とし、かかる温度センサの測定値が所定温度以上である場合に暖機状態であると判定してもよい。また、例えば、気液分離器５７に水位計を設ける構成とし、かかる水位計の測定値が所定高さ以上である場合に暖機状態であると判定してもよい。一般に、暖機状態では、燃料電池１５が発電を行っており、各単セル１５１における電気化学反応に伴って生じる生成水が排出されて気液分離器５７に溜まる。このため、暖機状態では、気液分離器５７の水位は高くなるので、かかる水位により暖機状態であるか否かを判定できる。
【００８０】
（Ｃ６）上記各実施形態では、アノードオフガスの密度を特定する際に、水蒸気分圧を飽和水蒸気圧に等しいとみなしていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、排気排水路５０４のうち排気排水弁５８の出口近傍に露点計を配置する構成とし、かかる露点計の測定値を利用して水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを取得してもよい。また、予め実験的に求めた測定結果を記憶部６４に記憶させておき、これに基づいて水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを取得してもよい。
【００８１】
（Ｃ７）上記各実施形態では、燃料電池システム１０は、駆動用モータに電力を供給するためのシステムとして、燃料電池車両に搭載されて用いられていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、燃料電池車両に代えて、駆動用電源を必要とする他の任意の移動体に搭載されて使用されてもよい。また、定置型電源として用いられてもよい。また、燃料電池１５を構成する各単セル１５１は、固体高分子型燃料電池用の単セルであったが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等、種々の燃料電池用の単セルとして構成してもよい。
【００８２】
（Ｃ８）上記各実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、制御部６２の少なくとも一部の機能を、集積回路、ディスクリート回路、またはそれらの回路を組み合わせたモジュールにより実現してもよい。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
【００８３】
なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、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各実施形態中の技術的特徴は、上述した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。
【符号の説明】
【００８４】
１０…燃料電池システム、１５…燃料電池、３０…酸化剤ガス給排系、３０Ａ…酸化剤ガス供給系、３０Ｂ…酸化剤ガス排出系、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…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…主止弁、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、６２…制御部、６４…記憶部、６６…排気速度取得部、６８…排気排水弁正常判定部、６９…閾値速度設定部、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、９７…ＢＤＣ、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、１５１…単セル、２５５…負荷、３０２…酸化剤ガス供給路、３０６…バイパス路、３０８…酸化剤ガス排出路、３１０…マフラー、５０１…燃料ガス供給路、５０２…燃料ガス循環路、５０４…排気排水路、Ｌｃ…排気速度、Ｌｃ１…排気速度、Ｌｓ…閾値速度、Ｐ１…全圧、Ｐ２…全圧、ＰＨ２…水素分圧、ＰＨ２Ｏ…水蒸気分圧、ＰＮ２…窒素分圧、Ｔ１…冷媒温度、Ｔ２…冷媒温度
【図１】
2020077457.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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