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(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】2024-10-28
(45)【発行日】2024-11-06
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0438 20160101AFI20241029BHJP
H01M 8/04664 20160101ALI20241029BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20241029BHJP
H01M 8/04955 20160101ALI20241029BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20241029BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0438
H01M8/04664
H01M8/04746
H01M8/04955
H01M8/10 101
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021034290
(22)【出願日】2021-03-04
(65)【公開番号】P2022134843
(43)【公開日】2022-09-15
【審査請求日】2023-03-23
(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】100104499
【弁理士】
【氏名又は名称】岸本 達人
(74)【代理人】
【識別番号】100101203
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100129838
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 典輝
(72)【発明者】
【氏名】松末 真明
【審査官】藤森 一真
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－３０９９４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／０６７７８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－２４２９５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３８７５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１１２０９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２９４４９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１２９０１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２０３１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１９８４０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１２３６１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２７３４２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３３１８８８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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と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た圧力センサと、
前記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前記燃料電池システムの外部に排出するための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た排気排水弁と、
制御部と、を備え、
前記燃料ガス供給部は、燃料タンクであり、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、所定の時間経過後の水素圧力を示すデータ群を予め記憶し、
水素ステーションにおいて前記燃料ガスが前記燃料タンクに充填された後、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給したときの前記圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出し、
前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、一度前記燃料ガス供給部の主止弁を閉弁して再度前記主止弁を開弁してから、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項2】
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と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た圧力センサと、
前記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前記燃料電池システムの外部に排出するための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た排気排水弁と、
制御部と、を備え、
前記燃料ガス供給部は、燃料タンクであり、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、所定の時間経過後の水素圧力を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶し、
水素ステーションにおいて前記燃料ガスが前記燃料タンクに充填された後、前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいと判定した場合に、一度前記燃料ガス供給部の主止弁を閉弁して再度前記主止弁を開弁してから、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給したときの前記圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出し、
前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
【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】
燃料電池（ＦＣ）は、１つの単セル又は複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）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）に、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（Ｈ２）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（Ｏ２）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。
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（Ｈ２）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（Ｏ２）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。
【0003】
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、起動時間の短縮を図る燃料電池システムが開示されている。
例えば特許文献１では、起動時間の短縮を図る燃料電池システムが開示されている。
【0004】
特許文献２では、システム起動時におけるコンプレッサ等の無駄な運転や、無駄な水素の消費を抑制する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００７－１６５１０３号公報
【文献】特開２００４－２９６３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
燃料電池においては、水素を含む燃料ガスに不純物ガスが含まれていると効率的な発電ができないだけでなく触媒の劣化による不可逆な性能低下も引き起こす。そのため、燃料電池においては、燃料ガスの純度の管理が重要である。
今後水素ステーションが普及し、水素ステーションの数が増えると、水素の純度が低い燃料ガスを提供する水素ステーションが存在してくることも考えられる。そして、不純物ガスを多く含む粗悪ガスが燃料電池車両の燃料ガスタンクに充填される虞がある。粗悪ガスが燃料電池車両の燃料ガスタンクに充填された場合は、燃料電池を発電する前に検出し、燃料電池の不可逆な性能低下を防ぎたい。
従来技術は、燃料電池内部の水素以外の不純物ガスの分圧推定等により、燃料電池の発電時の制御を変更するものであって、燃料ガスタンク内部の燃料ガスの水素性状をあらかじめ検出するものではなく、燃料電池に粗悪ガスが供給されると燃料電池の不可逆な性能低下を引き起こす虞がある。また従来技術では、燃料ガスタンク内部の燃料ガスの水素純度異常を発電前に検出することができない。
今後水素ステーションが普及し、水素ステーションの数が増えると、水素の純度が低い燃料ガスを提供する水素ステーションが存在してくることも考えられる。そして、不純物ガスを多く含む粗悪ガスが燃料電池車両の燃料ガスタンクに充填される虞がある。粗悪ガスが燃料電池車両の燃料ガスタンクに充填された場合は、燃料電池を発電する前に検出し、燃料電池の不可逆な性能低下を防ぎたい。
従来技術は、燃料電池内部の水素以外の不純物ガスの分圧推定等により、燃料電池の発電時の制御を変更するものであって、燃料ガスタンク内部の燃料ガスの水素性状をあらかじめ検出するものではなく、燃料電池に粗悪ガスが供給されると燃料電池の不可逆な性能低下を引き起こす虞がある。また従来技術では、燃料ガスタンク内部の燃料ガスの水素純度異常を発電前に検出することができない。
【0007】
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の不可逆な性能低下を抑制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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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と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た圧力センサと、前記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前記燃料電池システムの外部に排出するための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た排気排水弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給したときの前記圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止する。
【0009】
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、所定の時間経過後の水素圧力を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいか否か判定し、前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止してもよい。
【0010】
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と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た圧力センサと、前記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前記燃料電池システムの外部に排出するための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た排気排水弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、所定の時間経過後の水素圧力を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいか否か判定し、前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の時間経過後の前記水素圧力よりも小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止する。
【0011】
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、所定の時間経過後の前記燃料ガス圧力が所定の閾値よりも小さいと判定した場合に、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給したときの前記圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止してもよい。
【発明の効果】
【0012】
本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池の不可逆な性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
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と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た圧力センサと、前記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前記燃料電池システムの外部に排出するための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た排気排水弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給したときの前記圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定し、前記制御部は、前記燃料ガス圧力増加速度が前記水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、前記燃料電池の発電を禁止する。
【0015】
図１は、水素濃度と分子量と燃料電池システムの始動時の燃料電池への加圧充填時間の倍数との関係の一例を示す図である。
図１に示すように、本研究者は、水素はガスの中で最も分子量が小さく且つ密度が小さいため、燃料ガス中に水素以外の不純物ガスが含まれると燃料ガスの密度が増加して燃料ガス供給部からの燃料ガスの噴射流量が低下し、ガス圧の上昇速度が低下することを見出した。したがって、燃料ガス供給部から燃料電池への燃料ガス導入時に、燃料ガス中の不純物の有無で、燃料ガス供給部からの燃料ガスの噴射流量が異なることから、燃料電池への燃料ガスの供給開始からの圧力上昇速度の差異で、不純物の有無を検知することができる。
本開示の燃料電池システムによれば、万が一不純物ガスを多く含む粗悪ガスが燃料ガス供給部に充填された場合でも、燃料電池を発電する前に検出できる。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムの起動時に燃料ガス供給部から燃料電池に燃料ガスを供給する際の、ガス種によってガス圧の上昇速度が異なる現象を利用して不純物ガスを検知し、不純物の含有量を推定し、不純物量が多いと推定された場合は燃料電池の発電を禁止する。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池の発電前に不純物ガスを検知、燃料電池の発電を禁止することで、燃料電池の水素欠を抑制することができる。
図１に示すように、本研究者は、水素はガスの中で最も分子量が小さく且つ密度が小さいため、燃料ガス中に水素以外の不純物ガスが含まれると燃料ガスの密度が増加して燃料ガス供給部からの燃料ガスの噴射流量が低下し、ガス圧の上昇速度が低下することを見出した。したがって、燃料ガス供給部から燃料電池への燃料ガス導入時に、燃料ガス中の不純物の有無で、燃料ガス供給部からの燃料ガスの噴射流量が異なることから、燃料電池への燃料ガスの供給開始からの圧力上昇速度の差異で、不純物の有無を検知することができる。
本開示の燃料電池システムによれば、万が一不純物ガスを多く含む粗悪ガスが燃料ガス供給部に充填された場合でも、燃料電池を発電する前に検出できる。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムの起動時に燃料ガス供給部から燃料電池に燃料ガスを供給する際の、ガス種によってガス圧の上昇速度が異なる現象を利用して不純物ガスを検知し、不純物の含有量を推定し、不純物量が多いと推定された場合は燃料電池の発電を禁止する。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池の発電前に不純物ガスを検知、燃料電池の発電を禁止することで、燃料電池の水素欠を抑制することができる。
【0016】
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。
本開示において、不純物とは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示において、不純物とは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
【0017】
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【0018】
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、２～３００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、２～３００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。
【0019】
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。
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。
【0020】
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。
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。
【0021】
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。
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
セパレータは、反応ガス及び冷媒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。
【0024】
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。
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。
【0025】
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、圧力センサと、燃料オフガス排出流路と、排気排水弁と、制御部と、を備える。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
圧力センサは、前記燃料ガス供給流路に配置される。
圧力センサは、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を測定する。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。
圧力センサは、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を測定する。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。
【0029】
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。
【0030】
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、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。
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。
【0031】
燃料電池システムは、循環流路を備えていてもよい。
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、燃料オフガス排出流路から分岐し、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分岐し、燃料ガス供給流路に配置されていてもよいエジェクタと接続してもよい。
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。
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。
燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用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、燃料オフガス排出流路から分岐し、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分岐し、燃料ガス供給流路に配置されていてもよいエジェクタと接続してもよい。
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。
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。
燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用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。
【0032】
燃料電池システムは、アノード気液分離器を備えていてもよい。
アノード気液分離器は、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。この場合、燃料オフガス排出流路の排気排水弁は、アノード気液分離器よりも下流に配置されていてもよい。アノード気液分離器は、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中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料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、アノード気液分離器により、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。
アノード気液分離器は、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。この場合、燃料オフガス排出流路の排気排水弁は、アノード気液分離器よりも下流に配置されていてもよい。アノード気液分離器は、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中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料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、アノード気液分離器により、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。
【0033】
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。
【0034】
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。
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。
【0035】
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。
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。
【0036】
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、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。
【0037】
（１）第１実施形態
制御部は、燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶する。
制御部は、燃料ガスを燃料電池に供給したときの圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
制御部は、燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、水素ガスの供給量と水素圧力増加速度との関係を示すデータ群を予め記憶する。
制御部は、燃料ガスを燃料電池に供給したときの圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度より小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
【0038】
（２）第２実施形態
制御部は、燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、所定の時間経過後の水素圧力を示すデータ群を予め記憶する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
制御部は、燃料ガス供給部から所定の量の水素ガスを供給したときの、所定の時間経過後の水素圧力を示すデータ群を予め記憶する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
【0039】
図２は不純物ガスが含まれていない正常な燃料ガスと不純物ガスが含まれている異常な燃料ガスの燃料電池への噴射時間と圧力との関係の一例を示す図である。
図２に示すように第１実施形態では、圧力増加速度の傾きの違いから不純物ガスの有無を判定する。一方第２実施形態では、所定時間経過後の圧力の違いから不純物ガスの有無を判定する。
したがって、不純物ガスの有無の判定精度を高める観点から、上記第１実施形態と第２実施形態は、組み合わせて実施してもよい。第１実施形態と第２実施形態は、第１実施形態を先に実施してもよいし、第２実施形態を先に実施してもよい。
図２に示すように第１実施形態では、圧力増加速度の傾きの違いから不純物ガスの有無を判定する。一方第２実施形態では、所定時間経過後の圧力の違いから不純物ガスの有無を判定する。
したがって、不純物ガスの有無の判定精度を高める観点から、上記第１実施形態と第２実施形態は、組み合わせて実施してもよい。第１実施形態と第２実施形態は、第１実施形態を先に実施してもよいし、第２実施形態を先に実施してもよい。
【0040】
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、制御部５０と、圧力センサ６０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。
圧力センサ６０は、燃料ガス供給流路２１上に配置され、アノード入口における燃料ガスの圧力値を測定する。圧力センサ６０は、鎖線で示すように制御部５０と電気的に接続され、測定した燃料ガスの圧力値を制御部５０に与える。
制御部５０は、燃料ガス供給部２０と電気的に接続され、検知した燃料ガスの圧力値の結果に基づいて燃料ガス供給部２０からの燃料ガスの供給を制御する。
制御部５０は、排気排水弁２３と電気的に接続され、必要に応じて排気排水弁２３を開き、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路２２から外部へ排出する。
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、制御部５０と、圧力センサ６０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。
圧力センサ６０は、燃料ガス供給流路２１上に配置され、アノード入口における燃料ガスの圧力値を測定する。圧力センサ６０は、鎖線で示すように制御部５０と電気的に接続され、測定した燃料ガスの圧力値を制御部５０に与える。
制御部５０は、燃料ガス供給部２０と電気的に接続され、検知した燃料ガスの圧力値の結果に基づいて燃料ガス供給部２０からの燃料ガスの供給を制御する。
制御部５０は、排気排水弁２３と電気的に接続され、必要に応じて排気排水弁２３を開き、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路２２から外部へ排出する。
【0041】
図４は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す概略構成図である。
図４に示す燃料電池システム２００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、アノード気液分離器２４と、循環流路２５と、エジェクタ２６と、制御部５０と、圧力センサ６０と、を備える。なお、図４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。また、図４において図３と同じ構成のものについてはその説明を省略する。
アノード気液分離器２４は、燃料オフガス排出流路２２の循環流路２５との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、循環流路２５に燃料ガスを循環ガスとして戻す。
エジェクタ２６は、循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置されている。
図４に示す燃料電池システム２００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、アノード気液分離器２４と、循環流路２５と、エジェクタ２６と、制御部５０と、圧力センサ６０と、を備える。なお、図４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。また、図４において図３と同じ構成のものについてはその説明を省略する。
アノード気液分離器２４は、燃料オフガス排出流路２２の循環流路２５との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、循環流路２５に燃料ガスを循環ガスとして戻す。
エジェクタ２６は、循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置されている。
【0042】
図５は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す概略構成図である。図５において図４と同じ構成のものについてはその説明を省略する。
図５に示す燃料電池システム３００は、図４に示す燃料電池システム２００と比較して、エジェクタ２６を循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置する代わりに、循環流路２５に循環ポンプ２７を配置している。なお、エジェクタ２６を循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置してもよい。
図５に示す燃料電池システム３００は、図４に示す燃料電池システム２００と比較して、エジェクタ２６を循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置する代わりに、循環流路２５に循環ポンプ２７を配置している。なお、エジェクタ２６を循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置してもよい。
【0043】
図６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。
（Ａ）第１実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。燃料ガスを燃料電池に供給するタイミングは、例えば、燃料ガス供給部に燃料ガスが補充された後であってもよい。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さい場合は、燃料ガスに不純物ガスが含まれているため、燃料電池の発電を禁止することにより、燃料電池の不可逆な性能低下を抑制することができる。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
（Ａ）第１実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。燃料ガスを燃料電池に供給するタイミングは、例えば、燃料ガス供給部に燃料ガスが補充された後であってもよい。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さい場合は、燃料ガスに不純物ガスが含まれているため、燃料電池の発電を禁止することにより、燃料電池の不可逆な性能低下を抑制することができる。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
【0044】
図７は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
（Ｂ）第２実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。所定の時間経過後の燃料ガス圧力が所定の時間経過後の水素圧力よりも小さい場合は、燃料ガスに不純物ガスが含まれているため、燃料電池の発電を禁止することにより、燃料電池の不可逆な性能低下を抑制することができる。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
（Ｂ）第２実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。所定の時間経過後の燃料ガス圧力が所定の時間経過後の水素圧力よりも小さい場合は、燃料ガスに不純物ガスが含まれているため、燃料電池の発電を禁止することにより、燃料電池の不可逆な性能低下を抑制することができる。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
【0045】
図８は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
（Ｃ）第１実施形態＋第２実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
第１実施形態と第２実施形態を組み合わせることで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
（Ｃ）第１実施形態＋第２実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
第１実施形態と第２実施形態を組み合わせることで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
【0046】
図９は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
（Ｄ）第２実施形態＋第１実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
第２実施形態と第１実施形態を組み合わせることで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
（Ｄ）第２実施形態＋第１実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
第２実施形態と第１実施形態を組み合わせることで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
【0047】
図１０は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
（Ｅ）第１実施形態＋第１実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池への燃料ガスの供給を一旦停止し、再度所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から再度燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か再度判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
燃料ガス供給部の動作不良の可能性を考慮して、燃料ガス供給をリトライ（一度燃料ガス供給部の主止弁を閉弁して再度開弁）してから判定することで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
（Ｅ）第１実施形態＋第１実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池への燃料ガスの供給を一旦停止し、再度所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から再度燃料ガス圧力増加速度を算出する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が予め記憶した水素圧力増加速度よりも小さいか否か再度判定する。
制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、燃料ガス圧力増加速度が水素圧力増加速度よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
燃料ガス供給部の動作不良の可能性を考慮して、燃料ガス供給をリトライ（一度燃料ガス供給部の主止弁を閉弁して再度開弁）してから判定することで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
【0048】
図１１は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
（Ｆ）第２実施形態＋第２実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池への燃料ガスの供給を一旦停止し、再度所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から再度所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か再度判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
燃料ガス供給部の動作不良の可能性を考慮して、燃料ガス供給をリトライ（一度燃料ガス供給部の主止弁を閉弁して再度開弁）してから判定することで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
（Ｆ）第２実施形態＋第２実施形態
制御部は、所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池への燃料ガスの供給を一旦停止し、再度所定の量の燃料ガスを燃料電池に供給する。
制御部は、圧力センサで検知した圧力の変化から再度所定の時間経過後の燃料ガス圧力を算出する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいか否か再度判定する。
制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力以上であると判定した場合に、燃料電池の発電を許可する。
一方、制御部は、所定の時間経過後の燃料ガス圧力が予め記憶した所定の時間経過後の水素圧力よりも小さいと判定した場合に、燃料電池の発電を禁止する。
燃料ガス供給部の動作不良の可能性を考慮して、燃料ガス供給をリトライ（一度燃料ガス供給部の主止弁を閉弁して再度開弁）してから判定することで、不純物ガスの有無の判定精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【0049】
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 アノード気液分離器
２５ 循環流路
２６ エジェクタ
２７ 循環ポンプ
５０ 制御部
６０ 圧力センサ
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
３００ 燃料電池システム
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 アノード気液分離器
２５ 循環流路
２６ エジェクタ
２７ 循環ポンプ
５０ 制御部
６０ 圧力センサ
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
３００ 燃料電池システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】