(57)【要約】【課題】アノードに供給される燃料ガス欠に起因して発生する誤検知を抑制し、燃料電池に電気的に接続される構成要素の故障のような定常的な異常のみを検知する。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、を備える。異常監視部は、発電用のガスの供給を停止した後、再び供給を開始させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる。【選択図】図１
2012104438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、
を備え、
前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後、再び供給を開始させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、前記発電用のガスの供給を開始させる時には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記電圧監視部により監視される前記監視電圧の時間変化が負から正に変化した時点以降に、前記発電用のガスの供給を開始させる時には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生するまでの経過時間としてあらかじめ設定される所定時間の経過時点以降に、前記発電用のガスの供給を開始させる場合には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合に、前記発電用のガスの供給を開始させる時には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システムであって、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、
を備え、
前記異常監視部は、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、前記燃料ガスの供給量を上昇させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、
を備え、
前記異常監視部は、前記燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合に、前記燃料ガスの供給量を上昇させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記異常監視部は、前記監視電圧の時間変化が正の状態から０の状態に変化後負の状態に変化しない場合には、燃料電池に電気的に接続された構成要素に故障が発生していると判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムの異常検知方法であって、
前記燃料電池システムは、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、
を備え、
前記燃料電池システムの異常検知方法は、
前記発電用のガスの供給を停止した後、再び供給を開始させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システムの異常検知方法。
【請求項１０】
燃料電池システムの異常検知方法であって、
前記燃料電池システムは、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、
を備え、
前記燃料電池システムの異常検知方法は、
前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、前記燃料ガスの供給量を上昇させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システムの異常検知方法。
【請求項１１】
燃料電池システムの異常検知方法であって、
電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、
を備え、
前記燃料電池システムの異常検知方法は、
前記燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合に、前記燃料ガスの供給量を上昇させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させる
ことを特徴とする燃料電池システムの異常検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその異常検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の不良動作、燃料電池の劣化を回避するために、燃料電池システムには、通常、電圧監視装置が備えられ、燃料電池のセル電圧が監視されている。監視する電圧の項目の一つに、セル電圧の上限電圧が設定されており、設定した上限電圧よりも高い電圧の発生を監視している。例えば、通常、燃料電池とは別に、電力を発生することが可能な構成要素、例えば、二次電池等が備えられており、この構成要素から燃料電池に対して電流が流入した場合、監視するセル電圧の値が論理起電力を超える可能性があり、燃料電池の劣化を招く。そこで、このような電流が燃料電池に流入しないように、セル電圧が上限電圧を越えないように監視することが望ましい。
【０００３】
そして、従来技術の例として、特許文献１には、電圧監視装置にて監視している電圧の値が無負荷時の電圧（「開回路電圧」とも呼ぶ）の値を超えた場合に、燃料電池への外部構成要素からの電流流入または電圧監視装置自体の故障と判定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３４６８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８は、水素欠状態に起因して発生する過渡的な異常電圧について示す説明図である。燃料電池セルのアノードにおいて燃料ガスである水素が不足する状態（いわゆる水素欠状態）から、これを回避すべく水素供給を開始した場合には、図８に示すように、発生するセル電圧が過渡的に無負荷時の電圧よりも高い異常電圧が発生する。従来技術の電圧監視では、この過渡的に発生する異常電圧であっても、燃料電池への外部構成要素からの電流流入または電圧監視装置自体の故障と判定してしまう。すなわち、従来技術では、燃料ガスである水素欠による過渡的な異常電圧の発生であって定常的な異常ではない場合と、燃料電池に電気的に接続される構成要素の故障のような定常的な異常の場合と、を区別することができない、という問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、アノードに供給される燃料ガス欠に起因して発生する誤検知を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、を備え、前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後、再び供給を開始させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、従来技術で説明した過度的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、前記発電用のガスの供給を開始させる時には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、発電用のガスの供給を開始させる時には、従来技術で説明した異常電圧が過度的に発生するので、上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記電圧監視部により監視される前記監視電圧の時間変化が負から正に変化した時点以降に、前記発電用のガスの供給を開始させる時には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
発電用のガスの供給を停止した後で、電圧監視部により監視される監視電圧の時間変化が負から正に変化した時点以降では、従来技術で説明した燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生しているので、発電用のガスの供給を開始させる時には、従来技術で説明した異常電圧が過度的に発生するため、上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【００１１】
［適用例４］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生するまでの経過時間としてあらかじめ設定される所定時間の経過時点以降に、前記発電用のガスの供給を開始させる場合には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
発電用のガスの供給を停止した後で、燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生するまでの経過時間としてあらかじめ設定される所定時間の経過時点以降では、従来技術で説明した燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生しているので、発電用のガスの供給を開始させる時には、従来技術で説明した異常電圧が過度的に発生するため、上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【００１２】
［適用例５］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記異常監視部は、前記発電用のガスの供給を停止した後で、前記燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合に、前記発電用のガスの供給を開始させる時には、前記監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
発電用のガスの供給を停止した後で、燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合には、従来技術で説明した燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生しているので、発電用のガスの供給を開始させる時には、従来技術で説明した異常電圧が過度的に発生するため、上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【００１３】
［適用例６］
燃料電池システムであって、電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、を備え、前記異常監視部は、前記燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、前記燃料ガスの供給量を上昇させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池セルのアノードに燃料ガス欠の状態が発生した場合に、燃料ガスの供給量を上昇させる時には、従来技術で説明した異常電圧が過度的に発生するため、上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【００１４】
［適用例７］
燃料電池システムであって、電解質膜の両側にアノードおよびカソードが形成された燃料電池セルを１つ以上有する燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池セルの電圧および電圧の時間変化を監視する電圧監視部と、前記電圧監視部が監視した監視電圧の異常を検知する異常監視部と、を備え、前記異常監視部は、前記燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合に、前記燃料ガスの供給量を上昇させる時には、異常を検知するための基準となる監視上限電圧の設定値を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池セルのカソードに含まれる触媒を担持する触媒担体を酸化する状態が発生した場合に、燃料ガスの供給量を上昇させる時には、従来技術で説明した異常電圧が過度的に発生するため、上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制することができ、異常監視部の誤判定を抑制することが可能となる。
【００１５】
［適用例８］
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記異常監視部は、前記監視電圧の時間変化が正の状態から０の状態に変化後負の状態に変化しない場合には、燃料電池に電気的に接続された構成要素に故障が発生していると判定することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、過渡的に発生する異常電圧を異常と検知するのを抑制して、異常監視部の誤判定を抑制し、燃料電池に電気的に接続された構成要素に故障が発生していることのみを判定することが可能となる。
【００１６】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料電池システムの異常検知方法などの種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】第１実施例における電圧監視制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】第１実施例における異常監視制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】燃料電池システムの停止後におけるセル電圧の変化を示す説明図である。
【図５】水素欠が発生している状態において水素供給を開始した場合における無負荷状態のセル電圧の変化を示す説明図である。
【図６】第２実施例における異常監視制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】第３実施例における異常監視制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】水素欠状態に起因して発生する過渡的な異常電圧について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００１９】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成例：
図１は、第１実施例における燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。この燃料電池システム１０は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、アノードガス（燃料ガス）供給部２００およびカソードガス（酸化ガス）供給部３００と、冷却装置４００と、モニター部５００と、電力制御部６００と、制御部７００と、を備えている。
【００２１】
燃料電池１００は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。
【００２２】
この燃料電池１００としては、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池セルで構成される燃料電池が対象となる。また、燃料電池１００は、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有するものとする。燃料電池セルは、図示は省略するが、基本的に、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」あるいは単に「アノード」とも呼ぶ）と、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」あるいは単に「カソード」とも呼ぶ）とで構成される。ＭＥＡとセパレータとの間には、アノード側およびカソード側に、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられている。また、セパレータとガス拡散層に接する面には、アノードガスやカソードガスのガスを流す溝状のガス流路が形成されている。ただし、セパレータとガス拡散層との間に、ガス流路部が別途設けられる場合もある。なお、電解質膜とアノード側のセパレータとの間に形成された各構成要素を纏めて「アノード」と呼ぶ場合もある。また、電解質膜とカソード側のセパレータとの間に形成された各構成要素を纏めて「カソード」と呼ぶ場合もある。
【００２３】
アノードガス供給部２００は、アノードガス（燃料ガス）としての高圧の水素ガスを貯蔵した水素ガスタンク２１０と、水素ガスタンク２１０の水素ガスを燃料電池１００に供給するためのアノードガス供給流路２２０と、燃料電池１００から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）としての水素オフガスをアノードガス供給流路２２０に戻すためのアノードガス循環流路２３０と、を備える。アノードガス供給流路２２０には、水素ガスタンク２１０からの水素ガスの供給を遮断または許容する開閉バルブ２２２と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２２４と、水素ガスの流量を調整する水素供給部２２６とが設けられている。アノードガス循環流路２３０には、アノードガス循環流路２３０内のアノードオフガスとしての水素オフガスをアノードガス供給流路２２０側へ送り出す水素ガスポンプ２３２が設けられている。また、アノードガス循環流路２３０には、気液分離部２３４および排気排水バルブ２３６を介して、排気口３５０につながる排出流路２３８が接続されている。気液分離部２３４は、水素オフガスに含まれる水分を回収する。排気排水バルブ２３６は、気液分離部２３４で回収された水分およびアノードガス循環流路２３０内の不純物を含む水素オフガスを排出する。排気排水バルブ２３６から排出された水素オフガスは、排気口３５０から排ガスとして大気中に排気される。なお、開閉バルブ２２２、レギュレータ２２４、水素供給部２２６、水素ガスポンプ２３２、気液分離部２３４、および、排気排水バルブ２３６は、制御部７００からの指示に従って動作する。
【００２４】
カソードガス供給部３００は、吸気口３１０を介してカソードガス（酸化ガス）としての空気を取り込んで圧縮送出するためのコンプレッサ３２０と、空気（エア）を燃料電池１００に供給するためのカソードガス供給流路３３０と、燃料電池１００から排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を排気口３５０から排出するためのカソードオフガス排出流路３４０と、を備える。カソードオフガス排出流路３４０には、燃料電池１００内のカソードガス（酸化ガス）の圧力を調整するための背圧調整バルブ３４２が設けられている。カソードガス供給流路３３０およびカソードオフガス排出流路３４０には、燃料電池１００から排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を用いてコンプレッサ３２０から圧送されたカソードガス（酸化ガス）を加湿する加湿部３６０が設けられている。加湿部３６０で水分交換等されたカソードオフガスは、排ガスとして排気口３５０から大気中に排気される。なお、コンプレッサ３２０、背圧調整バルブ３４２、および、加湿部３６０は、制御部７００からの指示に従って動作する。
【００２５】
冷却装置４００は、冷却部４１０と、冷媒を燃料電池１００に供給する冷媒供給流路４２０と、燃料電池から排出される冷媒を燃料電池１００に戻す冷媒排出流路４３０と、を備える。冷却部４１０は、冷媒供給流路４２０を介して燃料電池１００に冷媒を供給し、燃料電池１００の冷却に供された後の冷媒を冷媒排出流路４３０を介して受け取ることにより、冷媒を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷媒としては、水、不凍液等を用いることができる。
【００２６】
モニター部５００は、各燃料電池セル間のセル電圧を測定するセル電圧モニター５１０と、燃料電池１００の出力電圧を測定する電圧センサー５２０および出力電流を測定する電流センサー５３０と、を備えている。なお、セル電圧モニター５１０、電圧センサー５２０、および、電流センサー５３０は、制御部７００に接続されており、各要素で測定された測定結果は制御部７００からの指示に従って、制御部７００に受け渡される。
【００２７】
電力制御部６００は、二次電池６１０や、二次電池制御部６２０、モータ６３０、出力制御部６４０、図示しない各種の補機制御部等を備える。二次電池制御部６２０は、二次電池６１０の充放電を制御する。モータ６３０は、燃料電池システム１０が搭載される車両の主動力源を構成する。出力制御部６４０は、燃料電池１００あるいは二次電池６１０からの電力のモータ６３０への供給を制御する。この出力制御部６４０は、例えば、モータ６３０が三相交流モータの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、たとえば、水素ガスポンプ２３２や、コンプレッサ３２０等の各装置を駆動するための電力の供給を制御する。
【００２８】
制御部７００は、ＣＰＵ７１０と、メモリ７２０と、入出力部７３０と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部７３０は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線（不図示）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した開閉バルブ２２２やレギュレータ２２４、水素供給部２２６、水素ガスポンプ２３２、コンプレッサ３２０、背圧調整バルブ３４２、冷却部４１０に含まれる図示しない冷却ポンプや、冷却ファン、等がある。また、各種センサーとしては、上述した電圧センサー５２０や、電流センサー５３０、図示しない温度センサー、圧力センサー、湿度センサー、流量センサー等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム１０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ７４０等がある。
【００２９】
メモリ７２０には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、ＣＰＵ７１０は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、発電制御ルーチン、電圧監視制御ルーチン、および、異常監視制御ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、ＣＰＵ７１０は、発電制御部７１０ａ、電圧監視制御部７１０ｂ、および、異常監視制御部７１０ｃとして機能する。なお、電圧監視制御部７１０ｂの電圧監視制御ルーチンおよび異常監視制御部７１０ｃの異常監視制御ルーチンについては、以下で詳述する。
【００３０】
なお、アノードガス供給部２００およびカソードガス供給部３００が本発明のガス供給部に相当する。また、セル電圧モニター５１０および電圧監視制御部７１０ｂが本発明の電圧監視部に相当する。また、異常監視制御部７１０ｃが本発明の異常監視部に相当する。
【００３１】
Ａ２．電圧監視制御ルーチン：
図２は、第１実施例における電圧監視制御ルーチンを示すフローチャートである。この電圧監視制御ルーチンは、電気自動車の起動前は暗電流、具体的には、二次電池６１０に蓄積されている電力にて実行される。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ７１０は、セル電圧モニター５１０を介して燃料電池セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌの測定（ステップＳ１００）、測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌの時間変化Ｖｃｅｌｌ／ｄｔの算出（ステップＳ１１０）、および、測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌおよびその時間変化Ｖｃｅｌｌ／ｄｔの蓄積（ステップＳ１２０）を繰り返し実行する。なお、この繰り返しは、例えば、一定の時間間隔で実行すればよい。このようにすれば、ステップＳ１１０における時間変化の算出が容易である。ただし、ステップＳ１００におけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの測定の時刻が既知であれば、必ずしも一定時間間隔で実行する必要はない。なお、このセル電圧Ｖｃｅｌｌの測定は、燃料電池セルごとに実行される。ただし、スタック構造の複数の燃料電池セルのうち、アノードにおける水素欠状態が最も発生し易い燃料電池セルについて実行するようにしてもよい。なお、最も水素欠状態が発生しやすい燃料電池セルは、燃料電池１００内の水素ガスの流路構造によって適宜選択すればよい。例えば、アノードガス供給部２００の燃料電池１００への入口から最も遠い燃料電池セルが選択される。
【００３２】
Ａ３．異常監視制御ルーチン：
図３は、第１実施例における異常監視制御ルーチンを示すフローチャートである。この異常監視制御ルーチンは、始動スイッチ７４０が操作者によって押されて、燃料電池システム１０が起動されるのに応じて実行される起動時異常監視制御ルーチンである。この起動時異常監視制御ルーチンの開始時においては、後述する監視上限電圧Ｖｕｐは標準上限値Ｖαに設定されているものとする。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ７１０は、まず、アノードガス供給部２００により燃料電池１００に対してアノードガス（燃料ガス）である水素ガスの供給が開始されたか否かを判定する（ステップＳ２００）。ここで、水素ガスの供給が開始されていないと判定されたときには、ＣＰＵ７１０は、ステップＳ２００の処理を繰り返して、水素ガスの供給が開始されるのを待つ。
【００３３】
そして、ステップＳ２００で水素ガスの供給が開始されたと判定された場合には、ＣＰＵ７１０は、さらに、その水素ガスの供給の開始が、燃料電池システム１０の運転停止後における燃料電池セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌの時間変化ｄＶｃｅｌｌ／ｄｔの符号が負から正に変化した以降であるか否か判定する（ステップＳ２１０）。なお、燃料電池システムの運転停止後における燃料電池セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌは、燃料電池１００に対する負荷が無負荷状態であるので、通常、開回路セル電圧（無負荷時セル電圧）Ｖｏｃｖと呼ばれ、その時間変化はｄＶｏｃｖ／ｄｔとも表記される。
【００３４】
ステップＳ２００の判定は、以下の理由に基づく。図４は、燃料電池システムの停止後におけるセル電圧の変化を示す説明図である。燃料電池システム１０の運転を停止した後、アノードに残留する水素ガスが時間とともに消費されるため、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）は、図に示すように、減少することになってｄＶｏｃｖ／ｄｔ＜０となる。そして、アノードにおいて水素の不足状態が発生しだすと、電解質膜を介してカソードからアノードへ酸素ガスのリークが増加し、一端、時間とともに増加することになり、ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＞０となる。その後、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）は、再び減少してｄＶｏｃｖ／ｄｔ＜０となり、最終的にはゼロとなってｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０となる。従って、ｄＶｏｃｖ／ｄｔの符号が負から正に変化した後は、水素不足状態（水素欠状態）が発生していると考えられるので、ステップＳ２１０の判定は、水素欠が発生している状態で、水素ガスの供給を開始したか否か判定するものである。
【００３５】
水素ガスの供給の開始はｄＶｏｃｖ／ｄｔの符号が負から正に変化した以降ではないと判定した場合には、水素欠状態となる前に水素ガスの供給が開始され、従来例で説明した過渡的な異常電圧は発生しないと考えられるので、ＣＰＵ７１０は、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαのままとし（ステップＳ２２０）、通常の異常監視制御を開始させる（ステップＳ２３０）。なお、通常の異常監視制御は、測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌが監視電圧上限値Ｖｕｐ（標準上限値Ｖα）を越えるか否かを監視し、超えた場合には異常発生と判断して異常発生を通知するものである。
【００３６】
一方、水素ガスの供給の開始はｄＶｏｃｖ／ｄｔの符号が負から正に変化した以降であると判定した場合には、水素欠状態で水素ガスの供給を開始しており、従来技術で説明した過渡的な異常電圧が発生すると考えられるので、ＣＰＵ７１０は、過渡的な異常電圧を異常電圧として検知しないように、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαから過渡上限値Ｖβに変更する（ステップＳ２４０）。
【００３７】
なお、標準上限値Ｖαは、燃料電池１００に水素ガス（Ｈ２）および空気（Ａｉｒ）を充分に供給している状態で、かつ、無負荷状態、すなわち、出力電流Ｉｏ＝０の状態で、セル電圧Ｖｃｅｌｌの時間変化ｄＶｃｅｌｌ／ｄｔ＝０である場合の電圧値に設定される。また、過渡上限値Ｖβは、水素欠状態で水素供給を開始した際に発生する過渡的な異常電圧の最高値に設定される。なお、標準上限値Ｖαおよび過渡上限値Ｖβは、あらかじめ実測することにより決定される。ただし、標準上限値Ｖαおよび過渡上限値Ｖβは、上記実測値に基づいて、測定誤差等を考慮して実測値にマージンを加味して設定されることが好ましい。また、定期的に実測することにより、更新するようにしてもよい。また、必ずしも、これに限定されるものではなく、燃料電池の電圧として許容される標準上限値および過渡上限値を、上記実測値に基づいて任意に設定可能である。
【００３８】
監視電圧上限値Ｖｕｐを過渡上限値Ｖβに変更した場合には、ＣＰＵ７１０は、測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）が標準上限値Ｖαよりも高いか否か判定する（ステップＳ２５０）。
【００３９】
測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）が標準上限値Ｖαよりも高いと判定した場合には、さらに、ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＞０からｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０となった時点から所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０の状態が継続しているか否か判定する（ステップＳ２６０）。この判定は、以下の理由に基づいて実行される。
【００４０】
図５は、水素欠が発生している状態において水素供給を開始した場合における無負荷状態のセル電圧の変化を示す説明図である。図の実線で示すように、無負荷状態のセル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）の時間変化がｄＶｏｃｖ／ｄｔ＞０となって標準上限値Ｖαよりも高くなった後、過渡上限値ＶβとなってｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０となった後、ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＜０となった場合には、従来例で説明したように過渡的な異常電圧が発生した場合であり、燃料電池１００に接続される外部要素の故障による定常的な異常電圧の発生ではない、と考えられる。一方、図の破線で示すように、ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０の状態が継続した場合には、定常的な異常電圧の発生であり、燃料電池１００に接続される外部要素の故障によるものと考えられる。そこで、ステップＳ２６０は、定常的な異常電圧の発生か過渡的な異常電圧の発生かを区別するために、ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＞０からｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０となった時点から所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０の状態が継続しているか否か判定するものである。なお、所定時間Ｔｊは、過渡変化の時間を考慮して適宜設定される。
【００４１】
ここで、所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０が継続していると判定した場合には、ＣＰＵ７１０は、定常的な異常電圧が発生しており、例えば、二次電池制御部６２０の故障による二次電池６１０からの電流流入やセル電圧モニター５１０の故障等外部要素の故障が発生しているものと判定し（ステップＳ２７０）、図示しない通知手段を用いて異常発生を通知する（ステップＳ２８０）。
【００４２】
一方、所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０が継続していないと判定した場合には、ＣＰＵ７１０は、過渡的な異常電圧の発生であって定常的な異常電圧の発生ではないので、異常なしと判定し（ステップＳ２９０）、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαに戻した上で（ステップＳ３００）、通常の異常監視制御を開始させる（ステップＳ２３０）。
【００４３】
ステップＳ２８０の異常発生の通知後およびステップＳ２３０の通常異常監視制御の開始後は、この起動時異常監視制御ルーチンを終了する。なお、異常発生通知後は、燃料電池システム１０の運転を停止するまで、監視電圧上限値Ｖｕｐは過渡上限値Ｖβのままとなる。
【００４４】
以上説明した第１実施例における異常監視制御ルーチンでは、燃料電池システムの起動時において、水素欠状態で水素ガスの供給を開始した場合において発生する過渡的な異常電圧を定常的な異常電圧と誤検知してしまうのを抑制するとともに、定常的な異常電圧の発生、例えば、二次電池制御部の故障による二次電池からの電流流入やセル電圧モニターの故障等外部要素の故障が発生している場合を、過渡的な異常電圧の発生の場合と区別して検知することが可能である。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例における異常監視制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、第２実施例は、図３に示した第１実施例における異常監視制御ルーチンのステップＳ２１０をステップＳ２１０Ｂに変更した点を除いて全く同じであるので、以下では、ステップＳ２１０Ｂの処理についてのみ説明を加え、燃料電池システムの構成および電圧監視制御ルーチンは、図示および説明を省略する。
【００４６】
ステップＳ２１０Ｂでは、ＣＰＵ７１０は、水素ガスの供給の開始が、燃料電池システム１０の運転停止から所定時間Ｔｌｉｍ経過後に実行されたか否かを判定する。そして、所定時間Ｔｌｉｍ経過後に水素ガスの供給が開始されたと判定された場合には、水素欠状態で水素ガスの供給が開始されており、従来技術で説明した過渡的な異常電圧が発生すると考えられるので、ＣＰＵ７１０は、過渡的な異常電圧を異常電圧として検知しないように、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαから過渡上限値Ｖβに変更する（ステップＳ２４０）。一方、所定時間Ｔｌｉｍ経過前に水素ガスの供給が開始されたと判定された場合には、水素欠状態となる前に水素ガスの供給が開始され、従来例で説明した過渡的な異常電圧は発生しないと考えられるので、ＣＰＵ７１０は、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαのままとする（ステップＳ２２０）。
【００４７】
ステップＳ２１０の判定は、以下の理由に基づく。すなわち、カソード側車両のテールパイプから吸い込まれた空気は、最終的に電解質膜を透過してカソードからアノードへ到達し、水素欠状態に寄与するものと考えられえる。従って、車両のテールパイプから燃料電池の空気の供給口までの配管の長さと空気の拡散速度が既知であれば、アノードが水素欠状態となるまでの時間を推定することができる。そこで、ステップＳ２１０の判定は、燃料電池システムの運転停止からアノードが水素欠状態となるまでの時間をあらかじめ求めておき、この求めておいた所定時間Ｔｌｉｍを経過したか否かで、水素欠状態で水素ガスの供給を開始したか否か判定するものである。
【００４８】
以上説明した第２実施例における異常監視制御ルーチンにおいても、燃料電池システムの起動時において、水素欠状態で水素ガスの供給を開始した場合において発生する過渡的な異常電圧を定常的な異常電圧と誤検知してしまうのを抑制するとともに、定常的な異常電圧の発生、例えば、二次電池制御部の故障による二次電池からの電流流入やセル電圧モニターの故障等外部要素の故障が発生している場合を、過渡的な異常電圧の発生の場合と区別して検知することが可能である。
【００４９】
Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例における異常監視制御ルーチンを示すフローチャートである。第１実施例および第２実施例における異常監視制御は、燃料電池システムの起動時において水素欠状態で水素ガスの供給が開始される場合に対応するものであった。しかしながら、燃料電池システムの運転中においても、水素欠状態となる場合もある。そこで、第３実施例の異常監視制御ルーチンは、この燃料電池システムの運転中において水素欠状態となった場合に対応する水素欠運転対応異常監視制御ルーチンである。この異常監視制御ルーチンは、発電制御の開始に連動して開始される。
【００５０】
図示するように処理が開始されると、ＣＰＵ７１０は、まず、通常の異常監視制御を開始させる（ステップＳ４００）。そして、測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌが負（Ｖｃｅｌｌ＜０）となっているか否か判定する（ステップＳ４１０）。
【００５１】
Ｖｃｅｌｌ＜０と判定した場合には、水素ガスあるいは空気の不足状態が想定されるので、まず、空気（Ａｉｒ）流量をアップさせた上で（ステップＳ４２０）、セル電圧Ｖｃｅｌｌが増加するか否か、すなわち、ｄＶｃｅｌｌ／ｄｔ＞０となるか否か判定する（ステップＳ４３０）。
【００５２】
一方、ステップＳ４１０においてＶｃｅｌｌ＞０の場合には、水素ガスおよび空気のいずれも不足状態ではなく通常運転状態であると想定されるので、ＣＰＵ７１０は、ステップＳ４４０においてこのルーチンを終了すると判定するまで、ステップＳ４１０〜Ｓ４３０の処理を繰り返し実行する。
【００５３】
また、ステップＳ４３０においてｄＶｃｅｌｌ／ｄｔ＞０と判定した場合には、空気が不足状態であり水素欠状態ではないので、ＣＰＵ７１０は、ステップＳ４４０においてこのルーチンを終了すると判定するまで、ステップＳ４１０〜Ｓ４３０の処理を繰り返し実行する。
【００５４】
一方、ステップＳ４３０においてｄＶｃｅｌｌ／ｄｔ＞０でないと判定した場合には、ＣＰＵ７１０は、水素欠と判定し、無負荷状態として燃料電池１００の発電を停止するとともに、通常の異常監視制御を停止する（ステップＳ４５０）。
【００５５】
そして、ＣＰＵ７１０は、水素ガスの流量をアップさせるとともに（ステップＳ４６０）、過渡的な異常電圧を異常電圧として検知しないように、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαから過渡上限値Ｖβに変更する（ステップＳ４７０）。
【００５６】
次に、ＣＰＵ７１０は、測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）が標準上限値Ｖαよりも高いか否か判定する（ステップＳ４８０）。
【００５７】
測定したセル電圧Ｖｃｅｌｌ（開回路セル電圧Ｖｏｃｖ）が標準上限値Ｖαよりも高いと判定した場合には、ＣＰＵ７１０は、さらに、ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＞０からｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０となった時点から所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０の状態が継続しているか否か判定する（ステップＳ４９０）。この判定は、第１実施例および第２実施例のステップＳ２６０（図３，図６参照）と同様である。
【００５８】
ここで、所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０が継続していると判定した場合には、ＣＰＵ７１０は、定常的な異常電圧が発生しており、例えば、二次電池制御部６２０の故障による二次電池６１０からの電流流入やセル電圧モニター５１０の故障等外部要素の故障が発生しているものと判定する（ステップＳ５００）。そして、図示しない通知手段を用いて異常発生を通知し（ステップＳ５１０）、この異常管理制御ルーチンを終了する。
【００５９】
一方、所定時間Ｔｊ以上ｄＶｏｃｖ／ｄｔ＝０が継続しない場合には、ＣＰＵ７１０は、過渡的な異常電圧の発生であって定常的な異常電圧の発生ではないので、異常なしと判定する（ステップＳ５２０）。そして、監視電圧上限値Ｖｕｐを標準上限値Ｖαに戻した上で（ステップＳ５３０）、通常の発電を再開させるとともに、通常の異常監視制御を開始させ（ステップＳ５４０）、ステップＳ４１０に戻って一連の処理を繰り返す。
【００６０】
燃料電池システムの運転中においても、水素欠状態で運転が行われる場合がある。水素欠状態を解消するために水素ガスの流量をアップさせると、第１実施例および第２実施例の起動時と同様に、過渡的な異常電圧が発生することが想定される。以上説明した第３実施例における異常監視制御ルーチンにおいては、燃料電池システムの運転中において、水素欠状態での運転を判定し、水素欠状態を解消するために水素ガスの流量をアップさせた場合に発生する過渡的な異常電圧を定常的な異常電圧と誤検知してしまうのを抑制するとともに、定常的な異常電圧の発生、例えば、二次電池制御部の故障による二次電池からの電流流入やセル電圧モニターの故障等外部要素の故障が発生している場合を、過渡的な異常電圧の発生の場合と区別して検知することが可能である。
【００６１】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００６２】
Ｄ１．変形例１：
第１実施例および第２実施例では、起動時異常監視制御ルーチンについて、第３実施例では、水素欠運転対応異常監視制御ルーチンについて、それぞれ独立して実施される場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、第１実施例および第３実施例、第２実施例および第３実施例を組み合わせて適用するようにしてもよい。
【００６３】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、車両に搭載される燃料電池システムを例に示しているが、車両のみならず、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池システム
７１…ＣＰＵ
１００…燃料電池
２００…アノードガス供給部
２１０…水素ガスタンク
２２０…アノードガス供給流路
２２２…開閉バルブ
２２４…レギュレータ
２２６…水素供給部
２３０…アノードガス循環流路
２３２…水素ガスポンプ
２３４…気液分離部
２３６…排気排水バルブ
２３８…排出流路
３００…カソードガス供給部
３１０…吸気口
３２０…コンプレッサ
３３０…カソードガス供給流路
３４０…カソードオフガス排出流路
３４２…背圧調整バルブ
３５０…排気口
３６０…加湿部
４００…冷却装置
４１０…冷却部
４２０…冷媒供給流路
４３０…冷媒排出流路
５００…モニター部
５１０…セル電圧モニター
５２０…電圧センサー
５３０…電流センサー
６００…電力制御部
６１０…二次電池
６２０…二次電池制御部
６３０…モータ（Ｍ）
６４０…出力制御部
７００…制御部
７１０…ＣＰＵ
７１０ａ…発電制御部
７１０ｂ…電圧監視制御部
７１０ｃ…異常監視制御部
７２０…メモリ
７３０…入出力部
７４０…始動スイッチ
【図１】
2012104438.tif 000003
【図２】
2012104438.tif 000004
【図３】
2012104438.tif 000005
【図４】
2012104438.tif 000006
【図５】
2012104438.tif 000007
【図６】
2012104438.tif 000008
【図７】
2012104438.tif 000009
【図８】
2012104438.tif 000010