JP7003756B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
特許文献１では、燃料電池に用いるアノードガスの漏れを検知するアノードガス検知器が設けられた燃料電池車両が開示されている。また、特許文献２に記載の燃料電池車両では、アノードガス循環系に設けられた気液分離器から液体を含むアノード排ガスが排出管に排出され、アノード排ガスはカソードガスで希釈された後に車外に排出される。
特開２００８－２７９９５５号公報 特開２０１０－６１９６０号公報
ここで、燃料電池車両が浸水路を走行する時、アノードガスを含むガスを車外に排出する排出口に水面が到達すると、排出口から排出されたガスが車外に正常に拡散しない虞がある。本願の発明者は、この場合に、アノードガスを含むガスが車両の隙間から車両内に侵入して、車両内に設けられたアノードガス検知器に到達する結果、アノードガス流路からのアノードガス漏れと誤ってアノードガス検知器に検知される可能性があることを見出した。また、この可能性は、燃料電池車両に限らず、燃料電池システムに共通する課題である。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、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、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記カソードガスと前記燃料電池から排出された前記アノードガスとを含む排ガスを排出する排出口を有する排出管と、前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給流路と、前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池へ前記カソードガスを送り出すコンプレッサと、前記アノードガスの流路の外部に設けられ、前記アノードガスを検知するアノードガス検知器と、所定の条件が成立した場合に、前記アノードガス検知器による前記アノードガスの検知を前記アノードガスの漏れとして検出することを抑制する抑制制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記条件を、（ｉ）前記コンプレッサにより取り込まれるカソードガスの流量である測定流量を、外気圧と前記コンプレッサの回転数から想定される前記カソードガスの想定流量で割った流量割合が、予め定められた流量割合閾値よりも小さいこと、（ｉｉ）前記燃料電池のカソードガス入口又はカソードガス出口の圧力である測定ガス圧力を、前記外気圧と前記コンプレッサの回転数から想定される想定ガス圧力で割った圧力割合が、予め定められた圧力割合閾値よりも大きいこと、（ｉｉｉ）前記燃料電池の出力電圧である測定電圧を、前記燃料電池の出力電流である測定電流と前記コンプレッサの回転数から想定される前記燃料電池の想定電圧で割った電圧割合が、予め定められた電圧割合閾値よりも小さいこと、の少なくとも１つが成立したことにより判断する。この形態の燃料電池システムによれば、水面が排出口に到達していると想定される状況において抑制制御を行うことにより、排出口から排出されたアノードガスが、アノードガス流路からのアノードガス漏れと誤って検知されることを抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記抑制制御は、前記抑制制御をしない場合と比べて、前記排出管への前記カソードガスの供給流量を増加させるガス量増加制御を含んでもよい。この形態の燃料電池システムによれば、抑制制御を行うことにより、排出口から排出されるガス中のアノードガス量を十分に希釈させることができる。この結果として、アノードガス漏れと誤ってアノードガス検知器に検知されることを抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサと前記カソードガス供給流路とを含み、前記カソードガスを前記排出管へ供給するカソードガス供給部は、さらに、前記燃料電池から前記カソードガスを排出し、前記排出管と接続されているカソードガス排出流路と、前記カソードガス供給流路と前記カソードガス排出流路とを連通するバイパス流路と、前記バイパス流路との接続部よりも前記カソードガス供給流路の下流側に設けられた供給弁と、前記バイパス流路との接続部よりも前記カソードガス排出流路の上流側に設けられた圧力調整弁と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、を備え、前記制御部は、前記抑制制御として、前記カソードガス供給部を制御することにより、前記抑制制御をしない場合と比べて、前記バイパス流路における前記カソードガスの流量を増加させるバイパス流量増加制御を行ってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、バイパス流路を通過して排出口に到達するカソードガスの流量を増加させることにより、燃料電池を通過して排出口に到達するカソードガスの流量を増加させる場合と比較して、コンプレッサの負荷を低減できるとともに、燃料電池の乾燥を防止でき、また、燃費が向上する。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記測定ガス圧力が予め定められた圧力閾値以上である場合、前記バイパス流量増加制御を行わなくてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃費が向上する。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記排出管に設けられた排出弁を備え、前記制御部は、前記所定の条件が成立している場合でも、前記排出弁が閉じてから予め定められた時間以上経過している場合、前記抑制制御を行わなくてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、不要な制御を行わなくて済む。
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記抑制制御は、前記抑制制御をしない場合と比較して、前記アノードガス検知器がアノードガス漏れと検知する検知基準を規制範囲内で緩和する緩和制御を含んでもよい。この形態の燃料電池システムによれば、水面が排出口に到達していると想定される状況において緩和制御を行うことにより、排出口から排出されたアノードガスが、アノードガス流路からのアノードガス漏れと誤って検知されることを抑制できる。
（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記アノードガス検知器が検知する前記アノードガスの濃度の上昇幅が、予め定められた許容範囲以上である場合に、前記抑制制御を行わなくてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、実際にアノードガス漏れが発生していると考えられる状況においては抑制制御を行わないため、アノードガス漏れを確実に検知できる。
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、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。
本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した車両の概略図である。 車両に搭載されている燃料電池システムの構成を示す概略図である。 制御部によって実行される浸水判定処理のフローチャートを示す図である。 上記条件に関連して、圧力比とカソードガスの流量［ＮＬ／分］との関係を示す図である。 条件１を説明するための図である。 上記条件３に関連して、燃料電池の電圧と電流との関係を示す図である。 条件３を説明するための図である。 排出口に水面が到達した状態を示す図である。 第２実施形態における浸水判定処理のフローチャートを示す図である。 第４実施形態における浸水判定処理のフローチャートを示す図である。 排出口から排出されたガスが車両内に入った場合のアノードガスの濃度の推移を示す図である。 アノードガス漏れが発生している場合のアノードガスの濃度の推移を示す図である。 下限閾値を説明するための図である。
Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した車両１００の概略図である。車両１００における方向に関する記載（「右」、「左」、「前」、「後」、「上」、「下」）は、それぞれ、車両１００に搭乗しているときの運転者を基準とする方向である。図１において、Ｘ軸正方向は車両前方を示し、Ｙ軸正方向は重力方向の上方を示し、Ｚ軸正方向は車両右方を示す。つまり、Ｘ軸方向は車両の前後方向を示し、Ｙ軸方向は重力方向を示し、Ｚ軸方向は車両の幅方向を示す。ＸＹＺ軸は、図１以降の図においても同じである。なお、本実施形態では、燃料電池システムは、車両に搭載されているが、これに限られず、例えば、船などの他の移動体に搭載されていてもよく、家などに搭載されていてもよい。なお、アノードガスとして水素ガスの変わりに、例えば、アルコールや、炭化水素を用いてもよい。
車両１００は、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）１０と、排出口７５を有する排出管３８と、アノードガスタンク６０と、アノードガス検知器７０を備える。燃料電池１０は、例えば、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成されている。燃料電池１０は、アノードガスタンク６０から供給されるアノードガスとしての水素ガスとカソードガスとしての大気中の酸素との電気化学反応によって発電する。本実施形態では、燃料電池１０は、車両１００の前方（＋Ｘ軸方向側）に配置されている。具体的には、車両１００の前後方向（Ｘ軸方向）において、燃料電池１０は、一部分が前輪ＦＷと重なる位置に配されている。なお、燃料電池１０の個数や配置は、任意に設定可能である。例えば、燃料電池１０は、車両１００の床下に搭載されていてもよい。
車両１００のアノードガスタンク６０として、本実施形態では、第１のアノードガスタンク６２と、第２のアノードガスタンク６４と、第３のアノードガスタンク６６とを備える。本実施形態では、第１のアノードガスタンク６２は、車両１００の前後方向（Ｘ軸方向）において前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間に設けられており、車両１００の前後方向（Ｘ軸方向）に沿って配されている。第２のアノードガスタンク６４は、車両１００の前後方向（Ｘ軸方向）において後輪ＲＷと重なる位置に設けられており、車両１００の幅方向（Ｚ軸方向）に沿って配されている。第３のアノードガスタンク６６は、車両１００の前後方向（Ｘ軸方向）において、一部分が後輪ＲＷと重なる位置であるとともに、他の部分が後輪ＲＷよりも後方となる位置に配されており、車両１００の幅方向（Ｚ軸方向）に沿って配されている。本実施形態では、第２のアノードガスタンク６４は、第３のアノードガスタンク６６よりも車両１００の前方側（＋Ｘ軸方向側）に設けられている。なお、アノードガスタンク６０の個数や配置は、任意に設定可能である。
アノードガス検知器７０は、アノードガス流路からのアノードガス漏れを検知する機器である。本実施形態では、アノードガス検知器７０によりアノードガス漏れと判定された場合、後述するＥＣＵ８２は、燃料電池システム１１０を強制的に停止する。また、本実施形態では、アノードガス検知器７０は、アノードガスの濃度についても測定可能な機器であり、アノードガス検知器７０として、第１のアノードガス検知器７２と、第２のアノードガス検知器７４とを備える。本実施形態では、アノードガス検知器７０として、水素検知器を用いる。
一般に、水素は閉空間の上方に溜まりやすい。このため、本実施形態において、第１のアノードガス検知器７２は、アノードガスタンク６０からのアノードガスの漏れを検知するため、アノードガスタンク６０の上方に設けられている。具体的には、第１のアノードガス検知器７２は、前後方向（Ｘ軸方向）において前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間に設けられており、より具体的には、前後方向（Ｘ軸方向）において車両１００の中央よりも後方側であって後輪ＲＷよりも前方側に設けられている。
本実施形態において、第２のアノードガス検知器７４は、燃料電池１０からのアノードガスの漏れを検知するため、燃料電池１０の上方に設けられている。具体的には、第２のアノードガス検知器７４は、前後方向（Ｘ軸方向）において燃料電池１０と重なる位置に設けられている。なお、アノードガス検知器７０の個数や配置と、アノードガスタンク６０の個数や配置は、任意に設定可能である。
排出管３８は、燃料電池１０に用いられなかったガスや燃料電池１０内で生成された水を車外に排出するために設けられている。排出管３８の排出口７５は、車両１００のアンダーカバー７７に設けられた孔から車両１００の下方に突き出している。本実施形態では、排出口７５は、前後方向（Ｘ軸方向）において前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間に設けられている。なお、排出管３８及び排出口７５の配置は、任意に設定可能である。
図２は、車両１００に搭載されている燃料電池システム１１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１１０は、燃料電池１０と、カソードガス流路２０と、アノードガス流路３０と、排出管３８と、制御部８０と、を備える。
カソードガス流路２０は、燃料電池１０に対してカソードガスの供給及び排出を行う流路である。カソードガス流路２０は、燃料電池１０へカソードガスを供給するカソードガス供給流路２２と、燃料電池１０からカソードガスを排出するカソードガス排出流路２４と、カソードガス供給流路２２とカソードガス排出流路２４とを連通するバイパス流路２６と、を備える。
カソードガス供給流路２２には、上流側から順に、外気圧計４１と、流量計４０と、コンプレッサ４２と、供給弁４４と、圧力測定部４５と、が設けられている。外気圧計４１は、外気圧を測定する機器である。流量計４０は、燃料電池システム１１０に取り込まれたカソードガスの流量を測定する機器である。コンプレッサ４２は、取り込んだカソードガスを圧縮し、燃料電池１０へ送り出す機器である。供給弁４４は、コンプレッサ４２から燃料電池１０へのカソードガスの流入の有無を制御する弁であり、バイパス流路２６との接続部よりもカソードガス供給流路２２の下流側に設けられている。圧力測定部４５は、燃料電池１０のカソードガス入口の圧力を測定する機器である。本実施形態では、圧力測定部４５は、燃料電池１０のカソードガス入口の圧力を測定するが、これに限られず、例えば、圧力測定部４５をカソードガス排出流路２４に設けることにより、燃料電池１０のカソードガス出口の圧力を測定してもよい。
バイパス流路２６との接続部よりもカソードガス排出流路２４の上流側には、燃料電池１０のカソード出口側のカソードガスの圧力を調整する圧力調整弁４６が設けられている。バイパス流路２６には、バイパス流路２６におけるカソードガスの流量を調節するバイパス弁４８が設けられている。本実施形態では、バイパス流路２６は、カソードガス供給流路２２におけるコンプレッサ４２と供給弁４４との間と、カソードガス排出流路２４における圧力調整弁４６よりも下流側と、を結ぶ流路である。
アノードガス流路３０は、燃料電池１０に対してアノードガスの供給及び排出を行う流路である。アノードガス流路３０は、燃料電池１０へアノードガスを供給するアノードガス供給流路３２と、燃料電池１０からアノードガスを排出するアノードガス排出流路３４と、アノードガス供給流路３２とアノードガス排出流路３４とを連通するアノードガス循環流路３６と、を備える。
アノードガス供給流路３２は、アノードガスタンク６０に接続されている。アノードガス供給流路３２には、上流側から順に、開閉弁５２と、レギュレータ５４と、インジェクタ５６と、が設けられている。開閉弁５２は、アノードガスタンク６０からインジェクタ５６の上流側へのアノードガスの流入の有無を制御する弁である。レギュレータ５４は、インジェクタ５６の上流側におけるアノードガスの圧力を調整するための弁である。インジェクタ５６は、燃料電池１０へのアノードガスの流入を制御する弁である。本実施形態では、インジェクタ５６は、アノードガス循環流路３６と連通する部分よりもアノードガス供給流路３２の上流側に設けられている。
アノードガス排出流路３４は、気液分離器５８に接続されている。アノードガス排出流路３４は、燃料電池１０内において電気化学反応に用いられなかった未反応ガス（アノードガスや窒素ガスなど）を気液分離器５８へ誘導する。
気液分離器５８は、燃料電池１０のアノードから排出された気体と液体とを分離する。気液分離器５８は、アノードガス循環流路３６と排出管３８とに接続されている。気液分離器５８は、燃料電池１０内において電気化学反応に用いられなかった未反応のアノードガスについてはアノードガス循環流路３６へと誘導し、燃料電池１０内で生成された水を含む液体や窒素ガスについては排出管３８へと誘導する。
排出管３８は、気液分離器５８において分離された液体およびガスを燃料電池システム１１０の系外へと排出するための配管である。排出管３８には、上流側から順に、排気排水を行う排出弁５７と、排気排水を行う際の音を低減するサイレンサ５９とが設けられており、排出管３８の終端には排出口７５が設けられている。排出口７５から排出されるものとしては、車両１００内で生成された水と、アノード排ガスに含まれる窒素ガスと、カソード排ガスが含まれるとともに、微量のアノードガス（水素ガス）とが含まれることがある。つまり、排出管３８は、アノードガスとカソードガスとを含む排ガスについても排出する。
本実施形態では、カソードガス排出流路２４は、排出管３８の排出弁５７とサイレンサ５９との間に接続されている。このため、カソードガス流路２０及びカソードガス流路２０に設けられたコンプレッサ４２と弁４４，４６，４８が、カソードガスを排出管３８へ供給する「カソードガス供給部」として機能する。
アノードガス循環流路３６には、ポンプ５０が設けられている。ポンプ５０は、気液分離器５８において分離されたアノードガスを含む気体を、アノードガス供給流路３２へ送り出す。燃料電池システム１１０では、アノードガスを循環させて再び燃料電池１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
制御部８０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部８０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８２の指示に応じて、燃料電池システム１１０内の構成部品の起動及び停止を制御するための信号を出力する。ＥＣＵ８２は、燃料電池システム１１０を含む車両１００全体の制御を行う制御部である。例えば、車両１００では、アクセルペダルの踏み込み量やブレーキペダルの踏み込み量、車速等の複数の運転状態パラメータの値に応じてＥＣＵ８２が車両１００の制御を実行する。なお、ＥＣＵ８２は、制御部８０の機能の一部に含まれていてもよい。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１１０による発電の制御を行うとともに、後述する浸水判定処理を実現する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ９４は、燃料電池１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ９５に供給する。燃料電池１０の発電電力は、ＰＣＵ９５を含む電源回路を介して、車輪を駆動する駆動用モータ等の負荷や、上述したコンプレッサ４２、ポンプ５０及び各種弁に供給される。ＰＣＵ９５は、制御部８０の制御により燃料電池１０の電流を制限する。なお、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ９４との間には、燃料電池１０の電流を測定する電流測定部９１と、燃料電池１０の電圧を測定する電圧測定部９２とが設けられている。
図３は、制御部８０によって実行される浸水判定処理のフローチャートを示す図である。この浸水判定処理は、車両１００の稼働中に常時繰り返し実行される。
浸水判定処理が開始された場合、まず、制御部８０は、排出口浸水条件を満たすか否かを判定する。ここで、「排出口浸水条件」とは、排出口７５に水面が到達した状態で成立すると想定される予め定められた条件を言う。排出口浸水条件としては、条件１，２，３が挙げられる。本実施形態では、制御部８０は、条件１，２，３の少なくとも１つの条件が成立した場合に排出口浸水条件を満たすと判定するが、２以上の上記条件を満たす場合に排出口浸水条件を満たすと判定してもよい。
〈条件１〉
流量計４０により計測されたカソードガスの測定流量を、外気圧とコンプレッサ４２の回転数から想定されるカソードガスの想定流量で割った流量割合（％）が、予め定められた流量割合閾値よりも小さいこと
〈条件２〉
圧力測定部４５により測定した測定ガス圧力を、外気圧とコンプレッサ４２の回転数から想定される想定ガス圧力で割った圧力割合が、予め定められた圧力割合閾値よりも大きいこと
〈条件３〉
電圧測定部９２から測定された燃料電池１０の測定電圧を、電流測定部９１から測定された燃料電池１０の測定電流とコンプレッサ４２の回転数から想定される燃料電池１０の想定電圧で割った電圧割合（％）が、予め定められた電圧割合閾値よりも小さいこと
図４は、上記条件１，２に関連して、圧力比とカソードガスの流量［ＮＬ／分］との関係を示す図である。圧力比は、コンプレッサ４２の出口圧力を入口圧力で割った値である。入口圧力は、外気圧に等しいとみなすことができる。図４内の複数の曲線は、それぞれコンプレッサ４２が同じ回転数における圧力比と流量との関係を示す線である。本実施形態では、コンプレッサ４２としてターボコンプレッサを用いているため、同じ回転数でカソードガスを燃料電池１０へ送っていても、圧力比によってカソードガスの流量が大幅に異なる。
仮に、コンプレッサ４２の回転数が曲線ＲＡ上の回転数であって、排出口７５に水面が到達していない場合におけるカソードガスの流量をＦＡ１とする。この場合、排出口７５に水面が到達すると、排出口７５から排出されるカソードガスが減少するため、燃料電池１０内の圧力が上がり、図４に示す圧力比が上がる。この結果、外気圧とコンプレッサ４２の回転数が同じであっても、カソードガスの流量は、ＦＡ１よりも小さいＦＡ２となる。
図５は、条件１を説明するための図である。図５において、縦軸は、条件１の流量割合（％）を示し、横軸は時間を示す。通常、排出口７５まで到達したカソードガスは排出口７５から正常に排出されるため、流量計４０により計測されたカソードガスの流量は、コンプレッサ４２の回転数から想定されるカソードガスの想定流量とほぼ等しくなり、流量割合はほぼ１００％となる。しかし、排出口７５に水面が到達すると、流量計４０により計測されたカソードガスの流量が、外気圧とコンプレッサ４２の回転数から想定されるカソードガスの想定流量に対して減少することにより、流量割合についても減少する。図５では、時間ｔ１１から流量割合が減少していき、時間ｔ１２において流量割合が予め定められた流量割合閾値を下回るため、条件１が満たされることとなる。
ここで、本実施形態における条件１の流量割合閾値は、８５％とする。この流量割合閾値は、実験的に定めることができる。なお、条件１の流量割合閾値はこれに限られず、例えば、９０％としてもよく、８０％としてもよく、７５％としてもよい。なお、本実施形態では、圧力比とカソードガスの流量との関係を示すマップが、制御部８０に格納されており、制御部８０はこのマップを用いて想定流量を決定する。しかし、これに限られず、例えば、制御部８０が、圧力比とコンプレッサ４２の回転数から想定流量を算出してもよい。また、コンプレッサ４２の回転数の変わりに、コンプレッサ４２の回転トルクを用いてもよい。
条件２は、上記条件１と同じ原理を利用する。つまり、条件２においても、排出口７５に水面が到達することにより、排出口７５まで到達したカソードガスは排出口７５から正常に排出されなくなることによって、燃料電池１０内の圧力が上昇する原理を用いる。この原理から、圧力測定部４５により測定した測定ガス圧力を、外気圧とコンプレッサ４２の回転数から想定される想定ガス圧力で割った値が、予め定められた圧力割合閾値（例えば、１２０％）よりも大きい場合、条件２が満たされることとなる。
条件２の圧力割合閾値はこれに限られず、例えば、１１５％としてもよく、１１０％としてもよく、１０５％としてもよい。なお、本実施形態では、圧力比とカソードガスの流量との関係を示すマップが、制御部８０に格納されており、制御部８０はこのマップを用いて想定ガス圧力を決定する。しかし、これに限られず、例えば、制御部８０が、圧力比とコンプレッサ４２の回転数から想定ガス圧力を算出してもよい。
図６は、上記条件３に関連して、燃料電池１０の電圧と電流との関係を示す図である。実線は、排出口７５に水面が到達していない場合を示し、破線は、排出口７５に水面が到達している場合を示す。排出口７５に水面が到達している場合、燃料電池１０の出口の圧力が上がり、燃料電池１０に供給されるカソードガスが減少するため、到達していない場合と比較して、同じ電流値に対する電圧値は低下する傾向にある。
仮に、排出口７５に水面が到達していない場合の燃料電池１０の電圧をＶＡ１とする。この場合、排出口７５に水面が到達すると、同じ電流値であっても、燃料電池１０内のカソードガスが正常に排出されないため、燃料電池１０の電圧は、ＶＡ１よりも小さいＶＡ２となる。
図７は、条件３を説明するための図である。図７において、縦軸は、電圧割合（％）を示し、横軸は時間を示す。通常、排出口７５まで到達したカソードガスは排出口７５から正常に排出されるため、燃料電池１０の測定電圧は、燃料電池１０の測定電流とコンプレッサ４２の回転数から想定される燃料電池１０の想定電圧とほぼ等しくなり、電圧割合はほぼ１００％となる。しかし、排出口７５に水面が到達すると、燃料電池１０の測定電圧が、燃料電池１０の測定電流とコンプレッサ４２の回転数から想定される燃料電池１０の想定電圧に対して減少することにより、電圧割合についても減少する。図７では、時間ｔ２１から電圧割合が減少していき、時間ｔ２２において電圧割合が予め定められた電圧割合閾値を下回るため、条件３が満たされることとなる。
ここで、条件３における電圧割合閾値は、例えば、８５％とする。この電圧割合閾値は、実験的に定めることができる。なお、条件３の電圧割合閾値はこれに限られず、例えば、９０％としてもよく、８０％としてもよく、７５％としてもよい。なお、本実施形態では、コンプレッサ４２の回転数に応じた燃料電池１０の電圧と電流との関係を示すマップが、制御部８０に格納されており、制御部８０はこのマップを用いて想定電圧を決定する。しかし、これに限られず、例えば、制御部８０が、コンプレッサ４２の回転数と燃料電池１０の測定電流から想定電圧を算出してもよい。また、本実施形態では、条件３には、燃料電池１０の電圧を用いるが、これに代えて、燃料電池１０の電圧と電流との積である燃料電池１０の発電電力を用いてもよい。精度の観点から、発電電力を用いる方が好ましい。
図３に示されるとおり、排出口浸水条件を満たさないと制御部８０が判定した場合（工程Ｓ１１０：ＮＯ）、フローは、工程Ｓ１１０に戻る。一方、排出口浸水条件を満たすと制御部８０が判定した場合（工程Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御部８０は、抑制制御を行う（工程Ｓ１３０）。「抑制制御」とは、排出口７５から排出されたアノードガスが、アノードガス流路３０からのアノードガス漏れと誤ってアノードガス検知器７０に検知されることを抑制する制御を言う。
本実施形態では、制御部８０は、抑制制御として、ガス量増加制御を行う。ここで、「ガス量増加制御」とは、抑制制御をしない場合と比べて、排出管３８へのカソードガスの供給流量を増加させる制御を言う。本実施形態では、カソードガス供給部としてのコンプレッサ４２の回転数を増大させることにより、排出管３８へのカソードガスの供給量を増加させる。本実施形態では、抑制制御を１分間行うが、これに限られず、例えば、排出口浸水条件を満たさなくなるまで行ってもよく、流量割合や電圧割合や圧力割合が改善されるまで（例えば、１００％となるまで）行ってもよい。抑制制御を行った後、フローは、工程Ｓ１１０に戻る。制御部８０は、車両１００の稼働が終了するまで、上述の一連の処理を繰り返す。
図８は、排出口７５に水面Ｓが到達した状態を示す図である。通常、排出口７５から排出されたガスは、大気へ拡散する。一方、排出口７５に水面Ｓが到達した場合、排出口７５から排出されるガスの拡散を水によって阻まれ、排出されたガスが、排出口７５と車両１００のアンダーカバー７７との間の隙間やその他の隙間から車両１００内に入る虞がある。この結果として、排気されたガスに含まれるアノードガスを、車両１００内に設けられたアノードガス検知器７０が検知して、アノードガス流路３０からのアノードガス漏れと誤って検知する虞がある。その結果として、ＥＣＵ８２が、燃料電池システム１１０の運転を停止する要求を制御部８０へ行なう虞がある。
しかし、本実施形態では、上述の排出口浸水条件を満たした場合に、抑制制御を行うため、アノードガス流路３０からのアノードガス漏れと誤ってアノードガス検知器７０に検知されることを抑制できる。本実施形態では、抑制制御として、排出口７５へのカソードガスの供給量を増加させるガス量増加制御を行う。この結果として、排出口７５から排出されるガスの全量に対するアノードガスの量が相対的に希釈されるため、排出されたガスが車両１００内に入ったとしても、アノードガス検知器７０によって検知されることを抑制できる。特に、本実施形態では、車両１００の進行方向（＋Ｘ軸方向）において、排出口７５が第１のアノードガス検知器７２と第２のアノードガス検知器７４との間に設けられているため、車両１００内に入ったガスが第１のアノードガス検知器７２や第２のアノードガス検知器７４に到達する虞がある。しかし、本実施形態によれば、抑制制御により、アノードガス漏れと誤ってアノードガス検知器７０に検知されることを効果的に抑制できる。なお、本実施形態によれば、排出口７５に水面が到達した場合のみではなく、例えば、排出口７５に路面の雪が到達した場合においても同様の効果を得ることができる。
Ｂ．第２実施形態
図９は、第２実施形態における浸水判定処理のフローチャートを示す図である。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、さらに、工程Ｓ１１０と工程Ｓ１３０との間に工程Ｓ１２０を備える点で異なるが、その他は同じである。
第２実施形態では、排出口浸水条件を満たすと制御部８０が判定した場合（工程Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御部８０は、排出弁５７が閉じてから予め定められた時間ｔＡ以上経過しているか否かを判定する（工程Ｓ１２０）。本実施形態では、時間ｔＡは、５秒であるが、これに限られず、例えば、３秒でもよく、１０秒でもよい。
排出弁５７が閉じてから予め定められた時間ｔＡ以上経過していないと制御部８０により判定された場合（工程Ｓ１２０：ＮＯ）、制御部８０は抑制制御を行う（工程Ｓ１３０）。一方、排出弁５７が閉じてから予め定められた時間ｔＡ以上経過していると制御部８０により判定された場合（工程Ｓ１２０：ＹＥＳ）、フローは、工程Ｓ１１０に戻る。つまり、第２実施形態では、排出弁５７が閉じてから予め定められた時間ｔＡ以上経過していると制御部８０により判定された場合、制御部８０は、抑制制御を行わない。
このようにすることにより、第２実施形態によれば、排出口浸水条件を満たすこととなった原因が排出弁５７が開いたことに起因していないと推定される場合において抑制制御を行わない。つまり、実際に、アノードガス流路３０などからのアノードガス漏れが発生していると考えられる状況においては抑制制御を行わない。このため、第２実施形態によれば、アノードガス流路３０などからのアノードガス漏れを確実に検知できる。なお、本実施形態では、工程Ｓ１２０が工程Ｓ１１０と工程Ｓ１３０との間に行われるが、これに限られず、工程Ｓ１２０を工程Ｓ１１０の前に行ってもよい。
Ｃ．第３実施形態
第３実施形態は、第１実施形態と比較して、カソードガス流量増加制御の方法が異なるが、その他は同じである。第３実施形態では、カソードガス流量増加制御として、制御部８０は、バイパス流量増加制御を行う。ここで、「バイパス流量増加制御」とは、抑制制御をしない場合と比べて、バイパス流路２６におけるカソードガスの流量を増加させる制御を言う。
具体的には、制御部８０は、バイパス流量増加制御として、コンプレッサ４２と供給弁４４と圧力調整弁４６とバイパス弁４８との少なくとも一つを制御することにより、排出口浸水条件を満たさない場合と比べて、バイパス流路２６におけるカソードガスの流量を増加させる。本実施形態では、制御部８０は、コンプレッサ４２を運転させた状態においてバイパス弁４８を開くことにより、バイパス流路２６におけるカソードガスの流量を増加させる。しかし、これに限られず、例えば、制御部８０は、供給弁４４とバイパス弁４８とを制御することにより、バイパス流路２６を通過するカソードガスの量を増加させることにより、排出口７５へのカソードガスの供給量を増加させてもよい。
カソードガスがバイパス流路２６を通過する場合、カソードガスが燃料電池１０を通過する場合よりも圧力損失が小さい。このため、第３実施形態によれば、バイパス流路２６を通過して排出口７５に到達するカソードガスの流量を増加させることにより、燃料電池１０を通過して排出口７５に到達するカソードガスの流量を増加させる場合と比較して、コンプレッサ４２の負荷を低減できるとともに、燃料電池１０の乾燥を防止でき、また、燃費が向上する。
Ｄ．第４実施形態
図１０は、第４実施形態における浸水判定処理のフローチャートを示す図である。第４実施形態は、第１実施形態と比較して、工程Ｓ１１０と工程Ｓ１３０との間に工程Ｓ１２５を備える点で異なるが、その他は同じである。
第４実施形態では、排出口浸水条件を満たすと制御部８０が判定した場合（工程Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御部８０は、圧力測定部４５により測定された測定ガス圧力が予め定められた圧力閾値以上であるか否かを判定する（工程Ｓ１２５）。本実施形態では、上述の圧力閾値は、例えば、燃料電池１０のカソードガス入口におけるカソードガスの流量が１０００ＮＬ／分となる圧力とする。しかし、これに限られず、上述の圧力閾値は、例えば、燃料電池１０のカソードガス入口におけるカソードガスの流量が７００ＮＬ／分となる圧力でもよく、１５００ＮＬ／分となる圧力でもよい。
測定ガス圧力が予め定められた圧力閾値以上でないと制御部８０により判定された場合（工程Ｓ１２５：ＮＯ）、制御部８０は抑制制御を行う（工程Ｓ１３０）。一方、測定ガス圧力が予め定められた圧力閾値以上であると制御部８０により判定された場合（工程Ｓ１２５：ＹＥＳ）、排出口７５から排出されるアノードガスは十分に燃料電池１０から排出されたカソードガスにより希釈されると考えられるため、フローは、工程Ｓ１１０に戻る。
このようにすることにより、第４実施形態によれば、不要な抑制制御をしなくて済む。なお、本実施形態では、工程Ｓ１２５が工程Ｓ１１０と工程Ｓ１３０との間に行われるが、これに限られず、工程Ｓ１２５を工程Ｓ１１０の前に行ってもよい。
Ｅ．第５実施形態
第５実施形態は、第１実施形態と比較して、抑制制御として、緩和制御を行う点で異なるが、それ以外は、同じである。「緩和制御」とは、排出口浸水条件を満たさない場合と比較して、アノードガス検知器７０がアノードガス漏れと検知する検知基準を規制範囲内で緩和する制御を言う。ここで、検知期間（例えば、２秒間）におけるアノードガスの平均濃度が、平均濃度閾値（例えば、３％）を超えた場合に本実施形態の検知基準が満たされることとなり、アノードガス検知器７０がアノードガス漏れと検知する。規制範囲とは、任意の３秒間におけるアノードガス平均濃度が４％未満であることを言う。
図１１は、排出口７５から排出されたガスが車両１００内に入った場合のアノードガスの濃度の推移を示す図である。図１１において、横軸は時間を示し、縦軸は上から順に、排出弁５７の開閉と、アノードガスの濃度と、アノードガスの平均濃度とを示す。図１１に示されるように、排出口７５から排出されたガスが車両１００内に入った場合、アノードガス検知器７０が測定したアノードガスの濃度は、排出弁５７を開くことによって増加し、排出弁５７を閉じることによって減少する。また、アノードガス濃度の増減と同様に、検知期間内における平均濃度も増減する。図１１に示される実線Ｌ１は、検知期間の平均濃度Ｌ１を示す。
本実施形態では、平均濃度閾値を、排出口浸水条件を満たさない場合に第１濃度Ｃ１（例えば、３％）とし、排出口浸水条件を満たす場合に、第２濃度Ｃ２（例えば、４％）とする。このように検知基準を規制範囲内で緩和することにより、本実施形態によれば、排出口７５から排出されたガスが車両１００内に入ったとしても、アノードガス検知器７０によってアノードガス漏れと検知されることを抑制できる。
緩和制御としては、これに限られず、検知期間を、緩和してもよい。具体的には、検知期間を、排出口浸水条件が満たされない場合は第１期間Ｐ１（例えば、２秒間）とし、排出口浸水条件を満たす場合は第１期間Ｐ１より長い第２期間Ｐ２（例えば、３秒間）としてもよい。図１１において、第１期間Ｐ１における平均濃度を実線Ｌ１で示し、第２期間Ｐ２における平均濃度を破線Ｌ２で示す。このようにすることにより、平均濃度のピークが小さくなるため、排出口７５から排出されたガスが車両１００内に入ったとしても、アノードガス検知器７０によってアノードガス漏れと検知されることを抑制できる。なお、検知期間による緩和を、平均濃度閾値による緩和と併用してもよい。
Ｆ．第６実施形態
第６実施形態は、第１実施形態と比較して、予め定められた条件の場合に、抑制制御を行わない点で異なるが、それ以外は、同じである。具体的には、第６実施形態では、アノードガス検知器７０が検知するアノードガスの濃度の上昇幅が、予め定められた許容範囲以上である場合に、制御部８０は、抑制制御を行わない。
図１２は、アノードガス漏れが発生している場合のアノードガスの濃度の推移を示す図である。縦軸はアノードガスの濃度を示し、横軸は時間を示す。図１２に示されるように、アノードガスタンク６０や燃料電池１０からアノードガスが漏れた場合、アノードガス濃度は増加し続ける。
本実施形態では、予め定められた期間ΔＴ（例えば、１０秒）内におけるアノードガス濃度の上昇幅ΔＲが、予め定められた許容範囲以上の場合、制御部８０は、抑制制御を行わない。許容範囲は、例えば、３％に設定することができる。このようにすることにより、本実施形態によれば、実際にアノードガス流路３０などからアノードガス漏れが発生していると考えられる状況においては抑制制御が行われないため、アノードガス流路３０などからのアノードガス漏れを確実に検知できる。
Ｇ．他の実施形態
上述の第１実施形態では、図５に示されるように、制御部８０は、流量割合（％）が流量割合閾値以下と判定した場合に、抑制制御を行う。しかし、これに限られない。例えば、制御部８０は、流量割合閾値より小さい下限閾値以下と判定した場合に、抑制制御を行わなくてもよい。
図１３は、下限閾値を説明するための図である。図１３に示されるように、流量割合が下限閾値（例えば、７０％）以下となった場合（時間ｔ１４以降）、排出口７５への浸水ではなく、カソードガスが流れる配管の一部が閉塞しているため圧力損失が高くなっていることが想定される。このため、このようにすることにより、不要な制御を行わなくて済む。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、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実施形態中の技術的特徴は、上述の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。
１０…燃料電池
２０…カソードガス流路
２２…カソードガス供給流路
２４…カソードガス排出流路
２６…バイパス流路
３０…アノードガス流路
３２…アノードガス供給流路
３４…アノードガス排出流路
３６…アノードガス循環流路
３８…排出管
４０…流量計
４１…外気圧計
４２…コンプレッサ
４４…供給弁
４５…圧力測定部
４６…圧力調整弁
４８…バイパス弁
５０…ポンプ
５２…開閉弁
５４…レギュレータ
５６…インジェクタ
５７…排出弁
５８…気液分離器
５９…サイレンサ
６０…アノードガスタンク
６２…第１のアノードガスタンク
６４…第２のアノードガスタンク
６６…第３のアノードガスタンク
７０…アノードガス検知器
７２…第１のアノードガス検知器
７４…第２のアノードガス検知器
７５…排出口
７７…アンダーカバー
８０…制御部
８２…ＥＣＵ
９１…電流測定部
９２…電圧測定部
９４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９５…ＰＣＵ
１００…車両
１１０…燃料電池システム
Ｃ１…第１濃度
Ｃ２…第２濃度
ＦＷ…前輪
Ｐ１…第１期間
Ｐ２…第２期間
Ｒ…幅
ＲＷ…後輪
Ｓ…水面

Claims (8)

  1. 燃料電池システムであって、
    アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記カソードガスと前記燃料電池から排出された前記アノードガスとを含む排ガスを排出する排出口を有する排出管と、
    前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードガス供給流路と、
    前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池へ前記カソードガスを送り出すコンプレッサと、
    前記アノードガスの流路の外部に設けられ、前記アノードガスを検知するアノードガス検知器と、
    所定の条件が成立した場合に、前記アノードガス検知器による前記アノードガスの検知を前記アノードガスの漏れとして検出することを抑制する抑制制御を行う制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記条件を、
    （ｉ）前記コンプレッサにより取り込まれるカソードガスの流量である測定流量を、外気圧と前記コンプレッサの回転数から想定される前記カソードガスの想定流量で割った流量割合が、予め定められた流量割合閾値よりも小さいこと、
    （ｉｉ）前記燃料電池のカソードガス入口又はカソードガス出口の圧力である測定ガス圧力を、前記外気圧と前記コンプレッサの回転数から想定される想定ガス圧力で割った圧力割合が、予め定められた圧力割合閾値よりも大きいこと、
    （ｉｉｉ）前記燃料電池の出力電圧である測定電圧を、前記燃料電池の出力電流である測定電流と前記コンプレッサの回転数から想定される前記燃料電池の想定電圧で割った電圧割合が、予め定められた電圧割合閾値よりも小さいこと、
    の少なくとも１つが成立したことにより判断する
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記抑制制御は、前記抑制制御をしない場合と比べて、前記排出管への前記カソードガスの供給流量を増加させるガス量増加制御を含む、燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記コンプレッサと前記カソードガス供給流路とを含み、前記カソードガスを前記排出管へ供給するカソードガス供給部は、さらに、
    前記燃料電池から前記カソードガスを排出し、前記排出管と接続されているカソードガス排出流路と、
    前記カソードガス供給流路と前記カソードガス排出流路とを連通するバイパス流路と、
    前記バイパス流路との接続部よりも前記カソードガス供給流路の下流側に設けられた供給弁と、
    前記バイパス流路との接続部よりも前記カソードガス排出流路の上流側に設けられた圧力調整弁と、
    前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、を備え、
    前記制御部は、前記抑制制御として、前記カソードガス供給部を制御することにより、前記抑制制御をしない場合と比べて、前記バイパス流路における前記カソードガスの流量を増加させるバイパス流量増加制御を行う、燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記測定ガス圧力が予め定められた圧力閾値以上である場合、前記バイパス流量増加制御を行わない、燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記排出管に設けられた排出弁を備え、
    前記制御部は、前記所定の条件が成立している場合でも、前記排出弁が閉じてから予め定められた時間以上経過している場合には、前記抑制制御を行わない、燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記抑制制御は、前記抑制制御をしない場合と比較して、前記アノードガス検知器がアノードガス漏れと検知する検知基準を規制範囲内で緩和する緩和制御を含む、燃料電池システム。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記アノードガス検知器が検知する前記アノードガスの濃度の上昇幅が、予め定められた許容範囲以上である場合に、前記抑制制御を行わない、燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムの制御方法であって、
    燃料電池から前記燃料電池で用いられたアノードガスおよびカソードガスを排出するための排出口が閉塞している可能性を示す排出口浸水条件が成立しているかを判断し、
    燃料電池に供給されるアノードガスを、前記アノードガスの流路の外部で検出したとき、前記排出口浸水条件が成立している場合は、前記排出口浸水条件が成立してない場合と比べて、前記アノードガスの流路の外部での前記アノードガスの検知を、前記アノードガスの漏れであると検出することを抑制し、
    前記排出口浸水条件を、
    （ｉ）前記カソードガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサに取り込まれた前記カソードガスの測定流量を、外気圧と前記コンプレッサの回転数から想定される前記カソードガスの想定流量で割った流量割合が、予め定められた流量割合閾値よりも小さいこと、
    （ｉｉ）前記燃料電池のカソードガス入口又はカソードガス出口の測定ガス圧力を、外気圧と前記コンプレッサの回転数から想定される想定ガス圧力で割った圧力割合が、予め定められた圧力割合閾値よりも大きいこと、
    （ｉｉｉ）前記燃料電池の測定電圧を、前記燃料電池の測定電流と前記コンプレッサの回転数から想定される前記燃料電池の想定電圧で割った電圧割合が、予め定められた電圧割合閾値よりも小さいこと、
    の少なくとも１つが成立したことにより判断する、燃料電池システムの制御方法。
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