JP2003302362A - ガス検出手段の故障判定装置および水素検出手段の故障判定装置 - Google Patents

ガス検出手段の故障判定装置および水素検出手段の故障判定装置

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JP2003302362A JP2002104132A JP2002104132A JP2003302362A JP 2003302362 A JP2003302362 A JP 2003302362A JP 2002104132 A JP2002104132 A JP 2002104132A JP 2002104132 A JP2002104132 A JP 2002104132A JP 2003302362 A JP2003302362 A JP 2003302362A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素センサ25の故障判定を容易に且つ確実
にできるようにする。 【解決手段】 燃料電池2のカソードから排出される空
気オフガスが流通する空気排出路22に水素センサ25
を設置し、燃料電池2のアノードから排出される水素オ
フガスをパージ弁14を定期的に開くことにより希釈装
置16に導入し、希釈装置16で所定濃度に希釈してか
ら、水素センサ25よりも上流の空気排出路22に戻し
て、水素センサ25の故障判定を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、検査対象ガスの
流路上で検査対象ガス中に通常は含まれることのない被
検知ガスを検出するガス検出手段に対して故障判定を行
う故障判定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体
高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み
込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタッ
クを備えており、アノードに燃料として水素が供給さ
れ、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノー
ドで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子
電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで
酸素と電気化学反応を起こして発電するようになってい
る。
【0003】また、このような固体高分子膜型燃料電池
等の燃料電池においては、カソードから排出される未反
応の空気(空気オフガスという)は系外に排出するのが
一般的であるが、その場合には、空気オフガス中に水素
ガスが存在しないことを確認する必要がある。そこで、
従来から、特公平6−52662号公報や特開平6−2
23850号公報等に開示されているように、燃料電池
のカソード側の排出系に水素検出器を設置し、この水素
検出器によって空気オフガス中に水素が存在していない
ことを確認するシステムが開発されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このようなシステムに
おいて、水素検出器の故障の有無は極めて重要である。
しかしながら、本来、水素が存在しないガスに対して水
素を検出するという使用態様では、水素検出器の故障の
有無を判定するのが極めて難しかった。そこで、この発
明は、水素検出手段等のガス検出手段に対して、適宜の
タイミングで容易に且つ確実に故障の有無を判定するこ
とができる故障判定装置を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この出願に係る第1の発明は、検査対象ガス(例え
ば、後述する実施の形態における空気オフガス)が流通
するガス流路(例えば、後述する実施の形態における空
気排出路22)に設置され前記検査対象ガス中に通常は
含まれることのない被検知ガス(例えば、後述する実施
の形態における水素ガス)を検出するガス検出手段(例
えば、後述する実施の形態における水素センサ25)に
対して故障判定を行う故障判定装置(例えば、後述する
実施の形態における故障判定装置1)であって、前記被
検知ガスを含む検出用基準ガスを前記ガス検出手段の検
出部(例えば、後述する実施の形態における検出部25
a)に所定のタイミングで供給する基準ガス供給手段
(例えば、後述する実施の形態におけるパージ弁14、
水素排出路15、希釈装置16、還流路17、導入弁1
8)を備えることを特徴とするガス検出手段の故障判定
装置である。このように構成することにより、基準ガス
供給手段によって検出用基準ガスをガス検出手段の検出
部に供給したときに、ガス検出手段が所定濃度以上の被
検知ガスを検出した場合にはガス検出手段が正常である
と判定することができ、ガス検出手段が被検知ガスを検
出しないかあるいは検出しても検出濃度が所定濃度に満
たない場合にはガス検出手段が故障であると判定するこ
とができる。したがって、ガス検出手段の故障判定を所
定のタイミングで容易に且つ確実に実施することがで
き、ガス検出手段の検出結果に対する信頼性が向上す
る。
【0006】また、前記第1の発明においては、前記検
出用基準ガスの被検知ガス濃度を既知としてもよい。こ
のように構成することにより、故障判定の判定値を高い
精度で設定することができるので、ガス検出手段に対す
る故障判定精度を高めることができる。
【0007】また、この出願に係る第2の発明は、燃料
電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池
2)のカソードから排出されるカソードオフガス(例え
ば、後述する実施の形態における空気オフガス)が流通
するカソードオフガス通路(例えば、後述する実施の形
態における空気排出路22)に設置されてカソードオフ
ガス中の水素を検出する水素検出手段(例えば、後述す
る実施の形態における水素センサ25)の故障判定を行
う故障判定装置(例えば、後述する実施の形態における
故障判定装置1)であって、水素ガスを含む検出用基準
ガスを前記水素検出手段の検出部(例えば、後述する実
施の形態における検出部25a)に所定のタイミングで
供給する基準ガス供給手段(例えば、後述する実施の形
態におけるパージ弁14、水素排出路15、希釈装置1
6、還流路17、導入弁18)を備えることを特徴とす
る水素検出手段の故障判定装置である。このように構成
することにより、基準ガス供給手段によって水素ガスを
含む検出用基準ガスを水素検出手段の検出部に供給した
ときに、水素検出手段が所定濃度以上の水素ガスを検出
した場合には水素検出手段が正常であると判定すること
ができ、水素検出手段が水素ガスを検出しないかあるい
は検出しても検出濃度が所定濃度に満たない場合にはガ
ス検出手段が故障であると判定することができる。した
がって、水素検出手段の故障判定を所定のタイミングで
容易に且つ確実に実施することができ、水素検出手段の
検出結果に対する信頼性が向上する。
【0008】また、前記第2の発明において、前記基準
ガス供給手段は、前記燃料電池のアノードから排出され
るアノードオフガス(例えば、後述する実施の形態にお
ける水素オフガス)を前記水素検出手段よりも上流の前
記カソードオフガス通路に所定のタイミングで戻すよう
に構成してもよい。このように構成することにより、検
出用基準ガスの供給源を新たに用意する必要がなくな
り、装置構成を簡単にすることができる。
【0009】また、前記第2の発明において、前記基準
ガス供給手段は、前記燃料電池のアノードから排出され
るアノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈手段(例
えば、後述する実施の形態における希釈装置16)を備
え、この希釈手段により希釈されたアノードオフガスを
前記検出用基準ガスとして前記水素検出手段よりも上流
の前記カソードオフガス通路に戻すように構成してもよ
い。このように構成することにより、検出用基準ガスの
水素濃度を既知とすることができ、故障判定の判定値を
高い精度で設定することができるので、水素検出手段に
対する故障判定精度を高めることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、この発明に係るガス検出手
段の故障判定装置の一実施の形態を図1から図4の図面
を参照して説明する。なお、この実施の形態におけるガ
ス検出手段の故障判定装置は水素センサの故障判定装置
の態様である。図1は、この発明に係る水素センサの故
障判定装置1を備えた燃料電池システムの構成図であ
る。この実施の形態において、水素センサの故障判定装
置1を備えた燃料電池システムは、例えば電気自動車等
の車両に搭載されている。
【0011】燃料電池2は、例えば固体ポリマーイオン
交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソ
ードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層
して構成されたスタックからなる。この燃料電池2で
は、図示しない水素供給装置から水素供給路11を介し
て燃料として水素が前記アノードに供給されるととも
に、コンプレッサ23により空気供給路21を介して酸
化剤として空気が前記カソードに供給され、アノードで
触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解
質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素
と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
コンプレッサ23は、制御装置30によって、燃料電池
2の出力電流に応じた流量の空気を燃料電池2に供給す
るように制御される。
【0012】そして、未反応の水素、すなわち水素オフ
ガス(アノードオフガス)は燃料電池2から水素循環路
12に排出され、エゼクタ13を介して、水素供給路1
1に戻され、再び燃料電池2のアノードに供給されるよ
うになっている。一方、反応済みの空気、すなわち空気
オフガス(カソードオフガス)は燃料電池2から空気排
出路(ガス流路)22を介して系外に排出される。
【0013】空気排出路22の途中には、空気オフガス
(検査対象ガス)中に通常は含まれることのない水素ガ
ス(被検知ガス)の濃度を検出する水素センサ(水素検
出手段、ガス検出手段)25が設けられている。水素セ
ンサ25は、空気排出路22の外周面上に固定され、水
素を検知する検知部25aが空気排出路22内に突出す
るように設置されている。なお、水素センサ25は、検
知部25aが空気排出路22の内面とほぼ面一となるよ
うに設置することも可能である。水素センサ25は、い
わゆるガス接触燃焼式水素センサであり、水素が触媒に
接触した際に燃焼する熱を利用して、検出素子と温度補
償素子との電気抵抗の差異から水素濃度を検出するよう
になっている。この水素センサ25の出力信号は制御装
置30に入力される。
【0014】また、水素循環路12内の水素オフガス
は、パージ弁14を介して水素排出路15に排出可能に
され、さらに、水素排出路15を通って希釈装置(希釈
手段)16に導入可能にされている。希釈装置16は、
水素排出路15から取り込んだ水素オフガスを、水素セ
ンサ25よりも下流の空気排出路22から取り込んだ空
気オフガスによって所定の倍率で希釈することができる
ように構成されている。以下、この希釈装置16によっ
て所定濃度に希釈された水素オフガスを基準ガス(検出
用基準ガス)と称す。希釈装置16で生成された基準ガ
スは、還流路17および導入弁18を介して、水素セン
サ25よりも上流に位置する空気排出路22に戻され
る。また、パージ弁14および導入弁18は、制御装置
30によって開閉制御されるようになっている。
【0015】そして、パージ弁14と導入弁18を開放
すると、水素循環路12を流れる水素オフガスが水素排
出路15を通って希釈装置16に導入され、希釈装置1
6において所定の濃度に希釈された水素オフガス、すな
わち基準ガスが還流路17を通って空気排出路22に排
出されるようになる。そして、空気排出路22に導入さ
れた基準ガスが空気排出路22を流れる空気オフガスに
ほぼ均一に混合された状態で水素センサ25に到達する
ように、基準ガスの導入部19から水素センサ25まで
の距離が設定されている。なお、希釈装置16による希
釈倍率は予め所定に設定されており、水素オフガスの水
素濃度は既知であるので、基準ガスの水素濃度も既知で
ある。この実施の形態において、パージ弁14、水素排
出路15、希釈装置16、還流路17、導入弁18は、
基準ガス供給手段を構成する。
【0016】このように構成された水素センサ25の故
障判定装置1の作用を説明する。この実施の形態におい
ては、燃料電池2の運転中に定期的に所定時間だけパー
ジ弁14と導入弁18を開放することによって基準ガス
を水素センサ25の上流において空気オフガスに混入さ
せ、この空気オフガスを水素センサ25に通過させたと
きの水素センサ25の出力に基づいて、水素センサ25
が正常か故障かを判定するようにした。次に、図2のフ
ローチャートを参照してパージ弁14および導入弁18
の開閉を説明する。図2に示すフローチャートは、パー
ジ弁14および導入弁18の開閉制御ルーチンを示すも
のである。
【0017】初めに、ステップS101において、導入
弁18が閉鎖されてから所定時間Aが経過したか否かを
判定する。ステップS101における判定結果が「YE
S」(所定時間Aが経過した)である場合は、ステップ
S102に進んで、パージ弁14および導入弁18を開
放する。一方、ステップS101の判定結果が「NO」
(所定時間Aが経過していない)である場合は、ステッ
プS106に進んで、パージ弁14および導入弁18の
閉鎖を継続し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0018】ステップS102の処理を実行した後、ス
テップS103に進み、導入弁18を開放してから所定
時間Bが経過したか否か判定する。これは、導入弁18
を開放して基準ガスを空気排出路22に導入してから所
定時間Bが経過しないと、安定した水素濃度の基準ガス
を空気排出路22に導入できないこと、および、基準ガ
スがほぼ均一に混合された空気オフガスが水素センサ2
5に到達しないことによる。
【0019】ステップS103における判定結果が「Y
ES」(所定時間Bが経過した)である場合は、ステッ
プS104に進んで、水素センサ25の故障判定を実行
する。一方、ステップS103における判定結果が「N
O」(所定時間Bが経過していない)である場合は、本
ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合
は、所定時間Bが経過するまでステップS103の処理
を継続することとなる。
【0020】ステップS104の処理を実行した後、ス
テップS105に進み、ステップS104の故障判定処
理を開始してから所定時間Cが経過したか否かを判定す
る。ステップS105における判定結果が「YES」
(所定時間Cが経過した)である場合は、故障判定処理
を終了したものと判定して、ステップS106に進み、
パージ弁14および導入弁18を閉鎖して、本ルーチン
の実行を一旦終了する。一方、ステップS105におけ
る判定結果が「NO」(所定時間Cが経過していない)
である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。すな
わち、この場合は、所定時間Cが経過するまでステップ
S105の処理を継続することとなる。
【0021】次に、ステップS104における故障判定
処理について、図3を参照して説明する。初めに、ステ
ップS201において、すでに故障と判定したか否かを
判定する。ステップS201における判定結果が「YE
S」(すでに故障と判定した)である場合は、本ルーチ
ンの実行を一旦終了する。ステップS201における判
定結果が「NO」(未だ故障と判定していない)である
場合は、ステップS202に進み、水素センサ25のセ
ンサ値を検出する。
【0022】次に、ステップS203に進み、ステップ
S202で検出した水素濃度が判定値よりも低いか否か
判定する。ステップS203における判定結果が「YE
S」(検出濃度が判定値より低い)である場合は、水素
センサ25が故障していると判定して、本ルーチンの実
行を一旦終了する。一方、ステップS203における判
定結果が「NO」(検出濃度が判定値以上)である場合
は、水素センサ25は故障していないと判定することが
できるので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0023】このように、この実施の形態の水素センサ
25の故障判定装置1においては、燃料電池2の運転中
に定期的に水素センサ25の故障判定を容易に且つ確実
に実施することができる。したがって、水素センサ25
の検出結果に対する信頼性が向上する。また、万が一。
水素センサ25が故障しているときには、これを早期発
見することができる。また、この実施の形態では、燃料
電池2のアノードから排出される水素オフガスを希釈装
置16によって所定濃度に希釈して基準ガスとし、これ
を水素センサ25よりも上流の空気排出路22に戻すよ
うにしているので、基準ガスの供給源を新たに用意する
必要がなく、装置構成が簡単になる。さらに、基準ガス
の水素濃度が既知であるので、故障判定の判定値を高い
精度で設定することができ、水素センサ25に対する故
障判定精度を高めることができる。
【0024】なお、図4は、この実施の形態におけるパ
ージ弁14および導入弁18の開閉、水素センサ25の
出力(検出濃度)、故障判定処理のタイムチャートであ
り、所定時間Bの経過途中において水素センサ25で水
素が検出され始め、故障判定処理の期間中(所定時間
C)は水素センサ25はほぼ一定濃度の出力を示してい
る。
【0025】なお、前述した実施の形態では、水素セン
サ25の故障判定を燃料電池2の運転中に所定時間毎に
実行しているが、水素センサ25の故障判定を実行する
タイミングは、燃料電池システムの停止時に、燃料電池
2のカソードへの空気供給を停止する前に実行すること
も可能である。また、水素センサ25は、接触燃焼式水
素センサに限るものではなく、ガス流中で水素を検出す
ることができるタイプのものであれば、その形式は問わ
ない。
【0026】〔他の実施の形態〕なお、この発明は前述
した実施の形態に限られるものではない。例えば、ガス
検出手段は、水素センサに限るものではなく、他のガス
成分を検出するものであってもよい。また、検査対象ガ
スは、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフ
ガスに限るものではなく、他のガスであってもよい。
【0027】
【発明の効果】以上説明するように、この出願の第1の
発明によれば、被検知ガスを含む検出用基準ガスをガス
検出手段の検出部に所定のタイミングで供給する基準ガ
ス供給手段を備えることにより、基準ガス供給手段によ
って検出用基準ガスをガス検出手段の検出部に供給した
ときに、ガス検出手段が所定濃度以上の被検知ガスを検
出した場合にはガス検出手段が正常であると判定するこ
とができ、ガス検出手段が被検知ガスを検出しないかあ
るいは検出しても検出濃度が所定濃度に満たない場合に
はガス検出手段が故障であると判定することができる。
したがって、ガス検出手段の故障判定を所定のタイミン
グで容易に且つ確実に実施することができ、ガス検出手
段の検出結果に対する信頼性が向上するという優れた効
果が奏される。また、前記第1の発明において、前記検
出用基準ガスの被検知ガス濃度を既知とした場合には、
故障判定の判定値を高い精度で設定することができるの
で、ガス検出手段に対する故障判定精度を高めることが
できるという効果がある。
【0028】また、この出願の第2の発明によれば、水
素ガスを含む検出用基準ガスを前記水素検出手段の検出
部に所定のタイミングで供給する基準ガス供給手段を備
えることにより、基準ガス供給手段によって水素ガスを
含む検出用基準ガスを水素検出手段の検出部に供給した
ときに、水素検出手段が所定濃度以上の水素ガスを検出
した場合には水素検出手段が正常であると判定すること
ができ、水素検出手段が水素ガスを検出しないかあるい
は検出しても検出濃度が所定濃度に満たない場合にはガ
ス検出手段が故障であると判定することができる。した
がって、水素検出手段の故障判定を所定のタイミングで
容易に且つ確実に実施することができ、水素検出手段の
検出結果に対する信頼性が向上するという優れた効果が
奏される。
【0029】また、前記第2の発明において、前記基準
ガス供給手段が、前記燃料電池のアノードから排出され
るアノードオフガスを前記水素検出手段よりも上流の前
記カソードオフガス通路に所定のタイミングで戻すよう
に構成されている場合には、検出用基準ガスの供給源を
新たに用意する必要がなくなり、装置構成を簡単にする
ことができるという効果がある。
【0030】また、前記第2の発明において、前記基準
ガス供給手段が、前記燃料電池のアノードから排出され
るアノードオフガスを所定濃度に希釈する希釈手段を備
え、この希釈手段により希釈されたアノードオフガスを
前記水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通
路に戻すように構成されている場合には、検出用基準ガ
スの水素濃度を既知とすることができ、故障判定の判定
値を高い精度で設定することができるので、水素検出手
段に対する故障判定精度を高めることができるという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に係るガス検出手段の故障判定装置
を備えた燃料電池システムの一実施の形態における構成
図である。
【図2】 前記実施の形態における弁開閉制御ルーチン
を示すフローチャートである。
【図3】 前記実施の形態における故障判定制御ルーチ
ンを示すフローチャートである。
【図4】 前記実施の形態におけるタイムチャートであ
る。
【符号の説明】
1 故障判定装置 2 燃料電池 14 パージ弁(基準ガス供給手段) 15 水素排出路(基準ガス供給手段) 16 希釈装置(希釈手段、基準ガス供給手段) 17 還流路(基準ガス供給手段) 18 導入弁(基準ガス供給手段) 22 空気排出路(カソードオフガス通路、ガス流路) 25 水素センサ(水素検出手段、ガス検出手段) 25a 検出部 30 制御装置
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // H01M 8/10 H01M 8/10 (72)発明者 藤本 幸人 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 町田 博 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 2G052 AA39 AB03 AD22 AD42 CA03 CA04 FD01 GA23 HC39 JA09 2G060 AA01 AB03 AE40 AF07 BA03 KA01 5H026 AA06 5H027 AA06 KK31 MM08

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 検査対象ガスが流通するガス流路に設置
    され前記検査対象ガス中に通常は含まれることのない被
    検知ガスを検出するガス検出手段に対して故障判定を行
    う故障判定装置であって、 前記被検知ガスを含む検出用基準ガスを前記ガス検出手
    段の検出部に所定のタイミングで供給する基準ガス供給
    手段を備えることを特徴とするガス検出手段の故障判定
    装置。
  2. 【請求項2】 前記検出用基準ガスの被検知ガス濃度が
    既知であることを特徴とする請求項1に記載のガス検出
    手段の故障判定装置。
  3. 【請求項3】 燃料電池のカソードから排出されるカソ
    ードオフガスが流通するカソードオフガス通路に設置さ
    れてカソードオフガス中の水素を検出する水素検出手段
    の故障判定を行う故障判定装置であって、 水素ガスを含む検出用基準ガスを前記水素検出手段の検
    出部に所定のタイミングで供給する基準ガス供給手段を
    備えることを特徴とする水素検出手段の故障判定装置。
  4. 【請求項4】 前記基準ガス供給手段は、前記燃料電池
    のアノードから排出されるアノードオフガスを前記水素
    検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に所定
    のタイミングで戻すことを特徴とする請求項3に記載の
    水素検出手段の故障判定装置。
  5. 【請求項5】 前記基準ガス供給手段は、前記燃料電池
    のアノードから排出されるアノードオフガスを所定濃度
    に希釈する希釈手段を備え、この希釈手段により希釈さ
    れたアノードオフガスを前記検出用基準ガスとして前記
    水素検出手段よりも上流の前記カソードオフガス通路に
    戻すことを特徴とする請求項4に記載の水素検出手段の
    故障判定装置。
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