特許 7208118 燃料電池システム制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-10

(45)【発行日】2023-01-18

(54)【発明の名称】燃料電池システム制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04664 20160101AFI20230111BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20230111BHJP

   H01M 8/04089 20160101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04664

H01M8/04537

H01M8/0438

H01M8/04089

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019147536

(22)【出願日】2019-08-09

(65)【公開番号】P2021028886

(43)【公開日】2021-02-25

【審査請求日】2021-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100212657

【弁理士】

【氏名又は名称】塚原 一久

(72)【発明者】

【氏名】山本 哲太郎

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 博之

(72)【発明者】

【氏名】森本 誠

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－３１０１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３０４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２４３４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－８６９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－４８８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－８７８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－５２０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

Ｂ６０Ｌ ５０／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに異常な出力低下が発生した場合に、
前記燃料電池スタックに対する空気の供給量が適正かどうかをチェックするステップと、
前記燃料電池スタックに対する空気の供給圧が適正かどうかをチェックするステップと、
前記燃料電池セルの乾き具合が適正かどうかをチェックするステップと、
を含むチェック処理を行い、
前記チェック処理において、前記空気の供給量、前記空気の供給圧、および、前記燃料電池セルの乾き具合がいずれも適正であるときは、前記燃料電池セルの触媒反応を阻害するガスが前記空気と共に前記燃料電池スタックに送り込まれたことが、前記燃料電池スタックの異常な出力低下の原因であると推定する、
燃料電池システムの制御方法。

【請求項2】

前記燃料電池スタックの指令出力と実出力との偏差が閾値以上であり、かつ、前記偏差に基づいて前記燃料電池スタックの出力をフィードバック制御するときの積分項が飽和状態であるときに、前記燃料電池スタックに異常な出力低下が発生したと判定する、
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項3】

前記複数の燃料電池セルの平均セル電圧が所定の許容電圧を下回っており、かつ、各々の燃料電池セル間の電圧差が所定値未満である場合に、前記燃料電池スタックに異常な出力低下が発生したか否かの判断を行う、
請求項１または２に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項4】

前記燃料電池セルの乾き具合を、前記燃料電池スタックのインピーダンスに基づいてチェックする、
請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項5】

前記燃料電池セルの乾き具合を、前記燃料電池セルの温度に基づいてチェックする、
請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システム制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックは、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。このため、燃料電池スタックを備える燃料電池システムには、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタックに供給する水素供給ユニットと、酸化ガスとしての空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気供給ユニットとが設けられている。

【0003】

燃料電池スタックに水素と空気を供給して発電させる場合、燃料電池スタックの出力電力が頻繁に変動すると、燃料電池セルの劣化が早く進行する傾向にある。そこで、特許文献１には、燃料電池ユニットの出力状態を蓄電装置の充電率に応じて複数段階に切り替える技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－３３８３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

燃料電池スタックを発電させる場合は、燃料電池スタックに対して要求される指令出力に応じて、水素の供給量と空気の供給量とが調整される。ただし、指令出力に応じた量の水素と空気が供給されていても、燃料電池スタックの実出力が指令出力を下回る状態が続くことがある。その場合は、燃料電池スタックの実出力に対して空気の供給量が過剰となり、燃料電池セルの劣化が早まるおそれがある。従来においては、燃料電池スタックの出力低下の原因が幾つか挙げられており、その中では出力低下の原因を特定できるものの、それ以外の原因によって燃料電池スタックの出力が低下している場合には、出力低下の原因を突き止めることができなかった。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、燃料電池スタックの出力低下の原因を従来よりも絞り込むことができる燃料電池システムの制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックに異常な出力低下が発生した場合に、燃料電池スタックに対する空気の供給量が適正かどうかをチェックするステップと、燃料電池スタックに対する空気の供給圧が適正かどうかをチェックするステップと、燃料電池セルの乾き具合が適正かどうかをチェックするステップと、を含むチェック処理を行い、チェック処理において、空気の供給量、空気の供給圧、および、燃料電池セルの乾き具合がいずれも適正であるときは、燃料電池セルの触媒反応を阻害するガスが空気と共に燃料電池スタックに送り込まれたことが、燃料電池スタックの異常な出力低下の原因であると推定する。

【0008】

本発明に係る燃料電池システムの制御方法においては、燃料電池スタックの指令出力と実出力との偏差が閾値以上であり、かつ、偏差に基づいて燃料電池スタックの出力をフィードバック制御するときの積分項が飽和状態であるときに、燃料電池スタックに異常な出力低下が発生したと判定する。

【0009】

本発明に係る燃料電池システムの制御方法においては、複数の燃料電池セルの平均セル電圧が所定の許容電圧を下回っており、かつ、各々の燃料電池セル間の電圧差が所定値未満である場合に、燃料電池スタックに異常な出力低下が発生したか否かの判断を行う。

【0010】

本発明に係る燃料電池システムの制御方法において、燃料電池セルの乾き具合を、燃料電池スタックのインピーダンスに基づいてチェックする。

【0011】

本発明に係る燃料電池システムの制御方法において、燃料電池セルの乾き具合を、燃料電池セルの温度に基づいてチェックする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、燃料電池スタックの出力低下の原因を従来よりも絞り込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。

【図2】セルモニタの接続状態を示す概略図である。

【図3】燃料電池スタックの出力を制御する方法を説明する図である。

【図4】本発明の実施形態に燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１５を備えている。燃料電池スタック１５は、複数の燃料電池セル１６を有し、これらの燃料電池セル１６を積層したスタック構造となっている。各々の燃料電池セル１６は、図示はしないが、電解質膜の両面を２つのセパレータで挟んだ構造になっている。電解質膜の一方の面にはカソード電極が配置され、電解質膜の他方の面にはアノード電極が配置される。カソード電極およびアノード電極の各電極面には触媒の層が形成され、その触媒での化学反応（以下、「触媒反応」ともいう。）によって燃料電池セル１６が発電する。また、燃料電池スタック１５は、第１エンドプレート２１と、第１絶縁板２２と、第１集電板２３と、複数の燃料電池セル１６と、第２集電板２４と、第２絶縁板２５と、第２エンドプレート２６とを、この順に積層したスタック構造となっている。

【0015】

燃料電池スタック１５には、水素供給ユニット３１と空気供給ユニット３２とが接続されている。水素供給ユニット３１は、燃料ガスとなる水素を燃料電池スタック１５に供給するためのユニットである。水素供給ユニット３１は、水素タンク３４と、タンクバルブ３５と、レギュレータ３６と、インジェクタ３７と、水素供給配管３８と、圧力センサ３９とを有している。圧力センサ３９は、燃料電池スタック１５における水素の圧力を検出するセンサである。圧力センサ３９の検出結果は制御部１２に与えられる。水素タンク３４に貯蔵された水素は、水素供給配管３８を通して燃料電池スタック１５に供給される。その際、水素供給配管３８を流れる水素は、タンクバルブ３５および差圧により動作するレギュレータ３６を経由してインジェクタ３７に供給され、インジェクタ３７の連続的な開閉動作により、圧力センサ３９を経由して燃料電池スタック１５に供給される。

【0016】

空気供給ユニット３２は、酸素を含む空気を燃料電池スタック１５に供給するためのユニットである。空気供給ユニット３２は、コンプレッサ４０と、空気供給配管４１と、流量センサ４７と、圧力センサ４８とを有している。コンプレッサ４０は、大気から吸引した空気を圧縮する。コンプレッサ４０が圧縮した空気は、空気供給配管４１を通して燃料電池スタック１５に供給される。流量センサ４７は、燃料電池スタック１５に供給される空気の量を検出するセンサである。流量センサ４７は、制御部１２に電気的に接続されている。流量センサ４７の検出結果は制御部１２に与えられる。圧力センサ４８は、燃料電池スタック１５に供給される空気の圧力を検出するセンサである。圧力センサ４８は、制御部１２に電気的に接続されている。圧力センサ４８の検出結果は制御部１２に与えられる。

【0017】

また、燃料電池スタック１５には、排出配管４３と、冷却ユニット４４と、排出ユニット４５と、水素循環ユニット４６とが接続されている。排出配管４３は、燃料電池スタック１５から排出されるカソードオフガスを大気中に排出するための配管である。冷却ユニット４４は、燃料電池スタック１５を冷却するためのユニットである。冷却ユニット４４は、温度センサ５１と、配管５２と、ラジエータ５３と、ポンプ５４と、配管５５とを有している。冷却ユニット４４は、冷却媒体としての冷却水をポンプ５４によって循環させることにより、燃料電池スタック１５の熱を回収するとともに、回収した熱をラジエータ５３によって大気中に放出させる。これにより、燃料電池スタック１５が冷却される。温度センサ５１は、配管５２を流れる冷却水の温度を検出するセンサである。温度センサ５１の検出結果は制御部１２に与えられる。

【0018】

排出ユニット４５は、燃料電池スタック１５から排出されるアノードオフガスを排出するためのユニットである。排出ユニット４５は、排気排水弁６１と、排出配管６２とを有している。排気排水弁６１は、アノードオフガスとこれに含まれる生成水とを、排出配管６２を通して大気中に排出するための弁である。

【0019】

水素循環ユニット４６は、燃料電池スタック１５から排出されるアノードオフガスに含まれる水素を、水素供給配管３８を通して再び燃料電池スタック１５に供給するためのユニットである。水素循環ユニット４６は、水素循環用の水素ポンプ６５と、水素循環路６６とを有している。燃料電池スタック１５から排出されるアノードオフガスに含まれる水素は、水素ポンプ６５により水素循環路６６を通して水素供給配管３８に流入し、水素供給配管３８を通して燃料電池スタック１５に供給される。

【0020】

燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１５の他に、上記の水素供給ユニット３１、空気供給ユニット３２、排出配管４３、冷却ユニット４４、排出ユニット４５および水素循環ユニット４６を備えている。

【0021】

燃料電池スタック１５にはセルモニタ７１が電気的に接続されている。セルモニタ７１は、図２に示すように、複数の燃料電池セル１６に対して個別に接続されている。この接続状態のもとで、セルモニタ７１は、各々の燃料電池セル１６ごとに、燃料電池セル１６の電圧（以下、「セル電圧」ともいう。）を検出する。また、セルモニタ７１は制御部１２に電気的に接続されている。セルモニタ７１によるセル電圧の検出結果は制御部１２に与えられる。

【0022】

また、図１に示すように、燃料電池スタック１５にはＤＣ／ＤＣコンバータ７５が電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、燃料電池スタック１５から出力される直流電力を所定の電圧レベルに降圧して出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、制御部１２に電気的に接続されている。蓄電池７６は、燃料電池スタック１５によって得られる余剰電力、または、負荷７８によって発生する回生電力を蓄電するものである。蓄電池７６は、充放電可能なリチウムイオン電池などの二次電池によって構成される。インバータ７７は、燃料電池スタック１５からＤＣ／ＤＣコンバータ７５を経て出力される直流電力や、蓄電池７６から出力される直流電力を、それぞれ交流電力に変換して負荷７８に出力するものである。負荷７８は、電力の供給を受けて電気的または機械的に動作するものである。燃料電池システム１１が燃料電池式車両に搭載される場合、負荷７８には車両走行用のモータが含まれる。

【0023】

制御部１２は、燃料電池システム１１全体の動作を統括的に制御するものである。制御部１２は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって構成される。制御部１２は、流量センサ４７、圧力センサ４８、セルモニタ７１およびＤＣ／ＤＣコンバータ７５の他に、インジェクタ３７、圧力センサ３９、温度センサ５１、排気排水弁６１および水素ポンプ６５に、それぞれ電気的に接続されている（図１の符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを参照）。インジェクタ３７、排気排水弁６１、水素ポンプ６５およびＤＣ／ＤＣコンバータ７５は、それぞれ制御部１２から与えられる指令に基づいて動作する。

【0024】

上記構成からなる燃料電池システム１１においては、水素供給ユニット３１によって燃料電池スタック１５に供給された水素と、空気供給ユニット３２によって燃料電池スタック１５に供給された空気に含まれる酸素とが、燃料電池スタック１５内で各々の燃料電池セル１６に分配して供給される。その際、燃料電池セル１６のアノード側には水素が供給され、燃料電池セル１６のカソード側には酸素が供給される。これにより、燃料電池セル１６は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。

【0025】

次に、燃料電池システムにおいて燃料電池スタックの出力を制御する方法について図３を用いて説明する。
まず、燃料電池スタック１５の出力状態には、燃料電池スタック１５が発電する電力の違いにより、発電停止状態、低出力状態、中出力状態、および、高出力状態の４つの段階がある。発電停止状態は、燃料電池スタック１５が発電を停止している状態である。低出力状態は、燃料電池スタック１５が低い発電電力で出力している状態である。また、中出力状態は、燃料電池スタック１５が低出力状態よりも高い発電電力で出力している状態であり、高出力状態は、燃料電池スタック１５が中出力状態よりも高い発電電力で出力している状態である。

【0026】

燃料電池スタック１５の出力状態は、制御部１２によって１段階ずつ切り替えられる。また、燃料電池スタック１５が出力する発電電力は、各々の出力状態ごとに要求される指令出力に基づいて制御部１２により制御される。たとえば、中出力状態で要求される指令出力が６（ｋＷ）、高出力状態で要求される指令出力が１２（ｋＷ）であるとすると、制御部１２は、燃料電池スタック１５の出力状態を中出力状態から高出力状態へと切り替える場合に、燃料電池スタック１５の実出力が６（ｋＷ）から１２（ｋＷ）に増加するように燃料電池システム１１を制御する。燃料電池スタック１５の実出力とは、燃料電池スタック１５が実際に出力する発電電力である。燃料電池スタック１５の実出力は、制御部１２において計測可能である。

【0027】

また、制御部１２は、燃料電池スタック１５の出力状態を切り替える場合に、燃料電池スタック１５の指令出力と実出力との偏差に基づいて燃料電池スタック１５の出力をフィードバック制御する。このフィードバック制御により、制御部１２は、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力に一致するように、燃料電池システム１１を動作させる。なお、燃料電池スタック１５に供給される水素の量や空気の量、燃料電池スタック１５に供給される水素の圧力や空気の圧力は、燃料電池スタック１５に要求される指令出力ごとに予め決められている。このため、制御部１２は、燃料電池スタック１５の出力状態を切り替える場合に、切り替え後の出力状態で要求される指令出力に応じて、空気供給ユニット３２および水素供給ユニット３１の動作を制御する。その際、燃料電池スタック１５に供給される空気の量は、エアコンプレッサ４０によって制御され、燃料電池スタック１５に供給される空気の圧力は、空気供給管に設けれた圧力制御バルブによって制御される。

【0028】

上述のように燃料電池スタック１５の出力を制御する場合に、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生することがある。そうした場合、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因を特定することは、その後、その原因をできるだけ早く取り除いて燃料電池スタック１５を正常な状態に戻すために重要である。そこで本実施形態においては、図４に示す燃料電池システムの制御方法を採用することとした。この制御方法は制御部１２によって実行されるものである。

【0029】

まず、制御部１２は、複数の燃料電池セル１６の平均セル電圧Ｖｍが所定の電圧Ｖａを下回っているかどうかを確認する（ステップＳ１１）。そして、平均セル電圧Ｖｍが所定の電圧Ｖａを下回っている場合は、ステップＳ１１からステップＳ１２に進む。平均セル電圧Ｖｍは、各々の燃料電池セル１６ごとにセルモニタ７１が検出したセル電圧を積算して総セル電圧を求め、この総セル電圧を、燃料電池スタック１５が有する燃料電池セル１６の個数で除算することにより得られるものである。所定の電圧Ｖａは、平均セル電圧Ｖｍの低下を検出するために予め設定されるものである。

【0030】

次に、ステップＳ１２において、制御部１２は、各々の燃料電池セル１６間の電圧差ΔＶが所定値未満であるかどうかを確認する。そして、各セル間の電圧差ΔＶが所定値以上である場合はステップＳ１１に戻り、各セル間の電圧差ΔＶが所定値未満である場合はステップＳ１３に進む。各セル間の電圧差ΔＶに関しては、各々の燃料電池セル１６ごとにセルモニタ７１が検出したセル電圧の中から最大セル電圧および最小セル電圧を抽出し、最大セル電圧と最小セル電圧との差を、各セル間の電圧差ΔＶとして特定すればよい。また、これ以外にも、平均セル電圧と最大セル電圧との差、または、平均セル電圧と最小セル電圧との差を、各セル間の電圧差ΔＶとして特定してもよい。

【0031】

次に、ステップＳ１３において、制御部１２は、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したか否かの判断を行う。その際、制御部１２は、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したか否かを、以下に述べる２つの事項を確認することによって判断する。

【0032】

まず、制御部１２は、燃料電池スタック１５の指令出力と実出力との偏差が閾値以上であるかどうかを確認する。そして、燃料電池スタック１５の指令出力と実出力との偏差が閾値以上であれば、次の事項を確認する。燃料電池スタック１５の指令出力と実出力との偏差（以下、「出力偏差」ともいう。）は、燃料電池スタック１５に要求される指令出力から燃料電池スタック１５の実出力を減算することにより得られる。このとき、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力を下回っていて、出力偏差が閾値以上である場合は、次の事項、すなわち出力偏差に基づいて燃料電池スタック１５の出力をフィードバック制御するときの積分項が飽和状態であるかどうかを確認する。そして、フィードバック制御の積分項が飽和状態であれば、制御部１２は、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したと判断してステップＳ１４に進み、それ以外はステップＳ１１に戻る。フィードバック制御の積分項が飽和状態である場合とは、制御部１２が、燃料電池スタック１５の実出力を指令出力に近づけるために制御をしているにもかかわらず、偏差の積分値が予め決められた上限値に達してしまった状態をいう。フィードバック制御の積分項が飽和状態になると、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力を下回ったまま定常状態となり、この定常状態のもとで出力偏差が閾値以上に維持される。燃料電池スタック１５の実出力を指令出力に近づけるための制御には、燃料電池スタック１５に供給する水素の量や空気の量を調整すること、および、燃料電池スタック１５に供給する水素の圧力や空気の圧力を調整することが含まれる。

【0033】

次に、ステップＳ１４において、制御部１２はチェック処理を行う。このチェック処理には、３つのステップＳ１４ａ，Ｓ１４ｂ，Ｓ１４ｃが含まれる。なお、チェック処理に含まれる３つのステップＳ１４ａ，Ｓ１４ｂ，Ｓ１４ｃを行う順序は任意に変更可能である。

【0034】

ステップＳ１４ａは、燃料電池スタック１５に対する空気の供給量が適正かどうかをチェックするステップである。燃料電池スタック１５に要求される指令出力に対して、燃料電池スタック１５に供給される空気の量が不足すると、燃料電池セル１６の平均セル電圧が低下し、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力を下回ったままになる。このため、燃料電池スタック１５に供給される空気量の不足は、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因となり得る。ステップＳ１４ａのチェックは、流量センサ４７の検出結果に基づいて行われる。具体的には、制御部１２は、流量センサ４７によって検出される空気の流量が、燃料電池スタック１５の指令出力に応じた基準流量以上であれば、ステップＳ１４ａでＹｅｓと判断し、基準流量に満たない場合はＮｏと判断する。ステップＳ１４ａでＮｏと判断した場合はステップＳ１５に移行し、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因を特定する。ステップＳ１４ａからステップＳ１５に移行した場合、制御部１２は、燃料電池スタック１５に対する空気の供給量が不足していたことが、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因であると特定する。

【0035】

ステップＳ１４ｂは、燃料電池スタック１５に対する空気の供給圧が適正かどうかをチェックするステップである。燃料電池スタック１５に要求される指令出力に対して、燃料電池スタック１５に供給される空気の圧力が不足すると、燃料電池セル１６の平均セル電圧が低下し、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力を下回ったままになる。このため、燃料電池スタック１５に供給される空気の圧力不足は、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因となり得る。ステップＳ１４ｂのチェックは、圧力センサ４８の検出結果に基づいて行われる。具体的には、制御部１２は、圧力センサ４８によって検出される空気の圧力が、燃料電池スタック１５の指令出力に応じた基準圧以上であれば、ステップＳ１４ｂでＹｅｓと判断し、基準圧に満たない場合はＮｏと判断する。ステップＳ１４ｂでＮｏと判断した場合はステップＳ１５に移行し、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因を特定する。ステップＳ１４ｂからステップＳ１５に移行した場合、制御部１２は、燃料電池スタック１５に対する空気の供給圧が不足していたことが、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因であると特定する。

【0036】

ステップＳ１４ｃは、燃料電池セル１６の乾き具合が適正かどうかをチェックするステップである。燃料電池スタック１５では燃料電池セル１６の電解質膜を湿潤状態に保つことにより、電解質膜へのガス拡散性を良好に維持している。これに対し、燃料電池セル１６が乾燥すると、抵抗過電圧の上昇によって平均セル電圧が低下し、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力を下回ったままになる。このため、燃料電池セル１６の乾燥は、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因となり得る。ステップＳ１４ｃのチェックは、燃料電池スタック１５のインピーダンスに基づいて行われる。燃料電池スタック１５のインピーダンスは、燃料電池セル１６の電解質膜の膜抵抗に相当するもので、燃料電池セル１６の乾燥が進むほど高くなる。このため、制御部１２は、燃料電池セル１６の乾き具合を確認するために燃料電池スタック１５のインピーダンスを計測する。そして、計測したインピーダンスが予め定められた基準インピーダンス以下であれば、ステップＳ１４ｃでＹｅｓと判断し、基準インピーダンスを超えていればＮｏと判断する。ステップＳ１４ｃでＮｏと判断した場合はステップＳ１５に移行し、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因を特定する。ステップＳ１４ｃからステップＳ１５に移行した場合、制御部１２は、燃料電池セル１６が乾燥していたことが、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因であると特定する。なお、燃料電池スタック１５のインピーダンスの計測に関しては、制御部１２とは別にインピーダンス計測部（図示せず）を設け、このインピーダンス計測部で計測した結果を制御部１２に取り込むようにしてもよい。

【0037】

上述したステップＳ１４のチェック処理において、空気の供給量、空気の供給圧、および、燃料電池セル１６の乾き具合がいずれも適正であるときは、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６において、制御部１２は、燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスが空気と共に燃料電池スタック１５に供給されたことが、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因であると推定する。燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスとしては、たとえば、有機溶剤から揮発するガスが考えられる。この種のガスが燃料電池システム１１の周辺に存在すると、空気供給ユニット３２のコンプレッサ４０を駆動したときに、そのガスが空気と共に燃料電池スタック１５に送り込まれる。その結果、各々の燃料電池セル１６の触媒が被毒して平均セル電圧が低下し、燃料電池スタック１５の実出力が指令出力を下回ったままになる。このため、燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスが空気と共に燃料電池スタック１５に送り込まれることは、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因となり得る。また、ステップＳ１６の前に行われるステップＳ１４のチェック処理では、空気の供給量、空気の供給圧、および、燃料電池セル１６の乾き具合がいずれも適正であることが確認されている。このため、それ以外の原因で燃料電池スタック１５の異常な出力低下が起こるケースとしては、燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスが燃料電池スタック１５に送り込まれたケースが想定される。このため、制御部１２は、チェック処理の結果を基に、燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスが空気と共に燃料電池スタック１５に送り込まれたことが、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因であると推定する。

【0038】

以上述べたように、本発明の実施形態においては、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生した場合に、燃料電池スタック１５に対する空気の供給量が適正かどうかをチェックするステップと、燃料電池スタック１５に対する空気の供給圧が適正かどうかをチェックするステップと、燃料電池セル１６の乾き具合が適正かどうかをチェックするステップと、を含むチェック処理を行う。そして、チェック処理において、空気の供給量、空気の供給圧、および、燃料電池セル１６の乾き具合がいずれも適正であるときは、燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスが空気と共に燃料電池スタック１５に送り込まれたことが、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の原因であると推定する。これにより、燃料電池スタック１５の出力低下の原因が、燃料電池スタック１５に対する空気の供給量不足や空気の供給圧不足、燃料電池セル１６の乾燥以外にある場合に、チェック処理の後の原因推定により、燃料電池スタック１５の出力低下の原因を従来よりも絞り込むことができる。そして、燃料電池セル１６の触媒反応を阻害するガスの存在によって燃料電池スタック１５の異常な出力低下が発生している場合、上記の原因推定に基づいて燃料電池システム１１の周辺環境、たとえば、燃料電池システム１１の稼働場所の近くで、有機溶剤を扱う作業などが行われていないかどうかを調査員が調査することにより、出力低下の原因を素早く突き止めることができる。

【0039】

また、本発明の実施形態においては、燃料電池スタック１５の指令出力と実出力との偏差が閾値以上であり、かつ、その偏差に基づいて燃料電池スタック１５の出力をフィードバック制御するときの積分項が飽和状態であるときに、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したと判定する。これにより、燃料電池スタック１５の出力をフィードバック制御によって増加させる場合に、制御途中の過渡的な出力不足が、異常な出力低下と誤認されることがない。よって、必要かつ適切なタイミングでチェック処理を実行させることができる。

【0040】

また、本発明の実施形態においては、複数の燃料電池セル１６の平均セル電圧が許容電圧を下回っており、かつ、各々の燃料電池セル１６間の電圧差が所定値未満である場合に、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したか否かの判断を行う。これにより、燃料電池スタック１５を構成する複数の燃料電池セル１６のセル電圧が一様に低下した場合を対象に、燃料電池スタック１５の異常な出力低下の有無を判断することができる。

【0041】

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

【0042】

たとえば、上記実施形態においては、燃料電池スタック１５の出力状態を複数段階に切り替えて制御する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らない。すなわち、本発明は、燃料電池スタック１５の出力状態を無段階に制御する場合に適用してもよい。

【0043】

また、上記実施形態においては、複数の燃料電池セル１６の平均セル電圧Ｖｍが所定の許容電圧Ｖａを下回っているかどうかを確認したが、本発明はこれに限らず、複数の燃料電池セル１６のセル電圧を積算した総セル電圧が所定の許容総セル電圧を下回っているかどうかを確認してもよい。

【0044】

また、上記実施形態においては、燃料電池スタック１５の指令出力と実出力との偏差が閾値以上であり、かつ、その偏差に基づいて燃料電池スタック１５の出力をフィードバック制御するときの積分項が飽和状態であるときに、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したと判断したが、本発明はこれに限らない。すなわち、他の例として、燃料電池スタック１５の出力電圧が予め設定された基準電圧よりも低く、その状態が予め設定された基準時間を超えて継続する場合に、燃料電池スタック１５に異常な出力低下が発生したと判断してもよい。

【0045】

また、上記実施形態においては、燃料電池セル１６の乾き具合を、燃料電池スタック１５のインピーダンスに基づいてチェックしたが、本発明はこれに限らない。すなわち、燃料電池セル１６の乾燥が進むと燃料電池セル１６の温度が高くなる傾向にあるため、燃料電池セル１６の温度に基づいて燃料電池セル１６の乾き具合をチェックしてもよい。その場合、燃料電池セル１６の温度は、冷却ユニット４４の配管５２を流れる冷却水の温度に反映される。このため、燃料電池セル１６の温度は、冷却ユニット４４の温度センサ５１を用いて検出すればよい。

【符号の説明】

【0046】

１１ 燃料電池システム、１２ 制御部、１５ 燃料電池スタック、１６ 燃料電池セル、４７ 流量センサ、４８ 圧力センサ、５１ 温度センサ、７１ セルモニタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】