JP2004178846A - 燃料電池冷却システムの故障検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池冷却システムの故障検知を簡単にできるようにする。
【解決手段】燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池２内の冷却水通路２ａに冷却水ポンプ３で冷却水を送り込み燃料電池２を冷却する燃料電池冷却システム１の故障検知方法において、燃料電池２の冷却水入口と冷却水出口の冷却水圧力差が冷却水ポンプ３の回転数から決定される閾値以下の状態を所定時間継続した場合に、燃料電池冷却システム１が故障と判定する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を冷却する冷却システムの故障検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この固体高分子電解質膜型の燃料電池は発電に伴って発熱するが、発電性能等の観点から燃料電池を所定温度に保持する必要があり、そのため、一般に冷却システムを備えている。この冷却システムは、冷却水ポンプを用いて冷却水を燃料電池とラジエターに循環させる液冷式が多く採用されている。
【０００３】
この冷却システムが故障すると燃料電池を前記所定温度に維持できなくなり、燃料電池を良好な発電状態に維持するのが困難になる。
したがって、冷却システムの維持管理は非常に重要であり、万が一、冷却システムに故障が生じた場合は、これを早期に検知し、適切な措置を施す必要がある。
従来、冷却水ポンプの故障検知方法としては、冷却水ポンプ駆動用のモータの回転数指令値と実回転数の回転数差を求め、この回転数差が閾値よりも大きい場合に故障と判断する方法が知られている。
また、圧力センサで検出した冷却水ポンプの吐出圧力と流量センサで検出した冷却水流量が、正常値から外れた場合に冷却システムが故障していると判断する故障検知方法も考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８４４３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の故障検知方法には以下のような問題がある。
冷却水ポンプ駆動用モータの回転数指令値と実回転数の回転数差に基づく故障検知方法では、モータは正常に動作しているが、冷却水ポンプ自身の不具合（例えば、ポンプシャフトの破損やインペラーの破損等）が原因で冷却水を所望の流量で循環できない場合に故障を検知することができない。
【０００６】
前記特許文献１に開示された冷却水ポンプの吐出圧力および冷却水流量に基づく故障検知方法では、吐出圧力と冷却水流量の両方が正常値である場合に故障でないと判断するので、圧力センサと流量センサなど２種類の検出手段が必要になって構成が複雑になるだけでなく、制御システムが複雑になる。
そこで、この発明は、簡単な構成ながら、冷媒ポンプを含むシステムの異常を検出することができる燃料電池冷却システムの故障検知方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料（例えば、後述する実施の形態における水素）と酸化剤（例えば、後述する実施の形態における酸素）とを供給されて発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）内の冷媒通路（例えば、後述する実施の形態における冷却水通路２ａ）に冷媒ポンプ（例えば、後述する実施の形態における冷却水ポンプ３）で冷媒（例えば、後述する実施の形態における冷却水）を送り込み前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却システム（例えば、後述する実施の形態における冷却システム１）の故障検知方法において、前記燃料電池の冷媒入口と冷媒出口の冷媒圧力差が前記冷媒ポンプの回転数から決定される閾値以下の状態を所定時間継続した場合に、燃料電池冷却システムが故障と判定することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の冷媒入口と冷媒出口の冷媒圧力差に基づいて故障判定を行うので、故障の原因を問わず、冷媒の循環流量が正常時よりも低下した場合を検知して、冷却システムが故障であると判定することができる。また、システム構成および制御が簡単になる。
特に、冷媒圧力差の閾値を冷媒ポンプの回転数から決定することから、冷媒流量に応じて前記閾値を決定することとなるので、故障判定精度が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池冷却システムの故障検知方法の一実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池を冷却する態様である。
図１に示すように、燃料電池冷却システム（以下、冷却システムと略す）１は、燃料電池２と、冷却水ポンプ（冷媒ポンプ）３と、ラジエター４と、これらを閉ループに接続する冷却水配管５を備えており、冷却水ポンプ３から送り出された冷却水（冷媒）は、ラジエター４、燃料電池２を通って再び冷却水ポンプ３に戻るようになっている。
【０００９】
燃料電池２は、いわゆる固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、アノードに供給される燃料としての水素とカソードに供給される酸化剤として空気中の酸素が反応して発電する。この発電には発熱を伴うので、燃料電池２の内部に設けられた冷却水通路（冷媒通路）２ａに冷却水を流通させることにより燃料電池２を冷却し、燃料電池２を所定温度に制御している。
【００１０】
冷却水ポンプ３はモータ６によって駆動され、燃料電池２から排出された冷却水を昇圧する。モータ６は燃料電池２の実電流値に基づき制御装置（ＥＣＵ）７によって回転数制御され、これによって冷却水ポンプ３の回転数が制御されて、冷却水の循環量が制御されるようになっている。このために、燃料電池２の電力取り出し端近傍には燃料電池２の出力電流を検出する電流計８が設けられており、電流計８の出力信号がＥＣＵ７に入力される。
ラジエター４は車両の前部に設けられていて、燃料電池２との熱交換により温められた冷却水を空冷する。
【００１１】
また、燃料電池２の冷却水入口近傍の冷却水配管５と冷却水出口近傍の冷却水配管５には、燃料電池２の入口における冷却水圧力を検出する入口圧力センサ９と燃料電池２の出口における冷却水圧力を検出する出口圧力センサ１０が設けられており、これら圧力センサ９，１０の出力信号がＥＣＵ７に入力され、ＥＣＵ７によって燃料電池２の入口と出口の冷却水圧力差（以下、差圧ということもある）が算出される。
【００１２】
この冷却システム１では、燃料電池２の入口冷却水圧力と出口冷却水圧力の差圧が冷却水ポンプ３の回転数指令値から決定される閾値以下の状態を所定時間継続した場合に、冷却システム１が故障であると判定することとした。
冷却水ポンプが正常に動作し、且つ、冷却水流路に異常がない場合には、燃料電池２の冷却水出入口間に冷却水の循環流量に応じた差圧が生じるはずであり、正常時よりも少ない差圧が検出された場合には、モータ６や冷却水ポンプ３の故障か冷却水流路（冷却水配管５や燃料電池２内の冷却水通路２ａ等）の目詰まりなどにより冷却水の循環流量が低下したと考えられる。したがって、正常時よりも差圧が少ない状態が所定時間継続した場合には、冷却システム１が故障であると判断することができる。
【００１３】
図３は、冷却水ポンプ３の回転数指令値と燃料電池２の冷却水出入口差圧閾値の関係を示す差圧閾値マップの一例であり、予めＥＣＵ７のＲＯＭに記憶させておく。この実施の形態においては、冷却システム１の故障判定は冷却水ポンプ３の回転数指令値が所定値Ｎｍｉｎ以上のときにのみ実行するようにしているので、図３に示す差圧閾値マップでは、回転数指令値がＮｍｉｎ以下は閾値が設定されていない。そして、冷却水ポンプの回転数指令値がＮｍｉｎからＮ１までは回転数指令値の上昇にしたがって閾値も徐々に増大し、回転数指令値がＮ１以上になると閾値はほぼ一定になるように設定されている。
【００１４】
なお、冷却水ポンプの回転数指令値が所定値Ｎｍｉｎ未満のときに冷却システム１の故障判定を実行しないのは、このような条件下では冷却水の循環流量が少なく、そのため燃料電池２の冷却水出入口差圧が極めて小さくしか現れず、故障判定が困難だからである。
なお、この実施の形態においては、冷却水ポンプ３の回転数指令値はモータ６の回転数指令値と同じである。
【００１５】
次に、この実施の形態における冷却システム１の故障検知制御について、図２のフローチャートに従って説明する。
図２に示す冷却システム１の故障検知制御ルーチンは、ＥＣＵ７によって一定時間毎に実行される。
まず、ステップＳ１０１において、冷却水ポンプ３の回転数指令値が所定値Ｎｍｉｎ以上か否かを判定する。ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（Ｎｍｉｎ未満）である場合は、故障判定をせずにステップＳ１０２に進み、タイマーをリセットして本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００１６】
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｎｍｉｎ以上）である場合は、ステップＳ１０３に進み、冷却水ポンプ３の回転数指令値に応じた差圧閾値を図３に示す差圧閾値マップから検索する。
次に、ステップＳ１０４に進み、入口圧力センサ９と出口圧力センサ１０で検出した冷却水圧力に基づいて冷却水出入口差圧を算出し、その差圧がステップＳ１０３で検索した閾値以下か否かを判定する。
【００１７】
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（閾値を越えている）である場合は、冷却システム１は正常であるので、ステップＳ１０２に進み、タイマーをリセットして本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（閾値以下）である場合は、ステップＳ１０５に進み、タイマー値が「０」か否かを判定する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（タイマー値≠０）である場合は、ステップＳ１０６に進み、タイマー値を減算して本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００１８】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（タイマー値＝０）である場合は、ステップＳ１０７に進み、冷却システム１が故障であると判定する。そして、ステップＳ１０８に進み、冷却システム１を含む燃料電池システム全体を停止して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００１９】
このように、この冷却システム１の故障検知方法によれば、燃料電池２の冷却水出入口差圧に基づいて故障判定を行っているので、故障の原因を問わず、冷却水の循環流量が正常時よりも低下した場合を検知することができ、そのときに冷却システムが故障であると判定することができる。なお、この場合の故障の原因としては、モータ６の故障、冷却水ポンプ３の故障、冷却水流路（冷却水配管５や燃料電池２内の冷却水通路２ａ等）の目詰まりなどが考えられる。
また、燃料電池２の冷却水出入口差圧に基づいて故障判定を行うので、システム構成および制御が簡単になる。
さらに、前記差圧の閾値を冷却水ポンプ３の回転数指令値から決定しているが、これは冷却水の循環流量に応じて前記閾値を決定していることとなるので、故障判定の精度が高い。
【００２０】
〔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、この実施の形態では燃料電池２の冷却水入口と出口に圧力センサを設け、両センサの出力信号に基づいて制御装置が差圧を算出するようにしているが、燃料電池２の冷却水入口と出口の差圧を検出する差圧センサにより直接的に差圧を検出するようにしてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池の冷媒入口と冷媒出口の冷媒圧力差に基づいて故障判定を行うので、故障の原因を問わず、冷媒の循環流量が正常時よりも低下した場合を検知して、冷却システムが故障であると判定することができるという優れた効果が奏される。また、システム構成および制御が簡単になるという効果もある。
さらに、冷媒圧力差の閾値を冷媒ポンプの回転数から決定することから、冷媒流量に応じて前記閾値を決定することとなるので、故障判定精度が向上するという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る故障検知方法の実施に好適な燃料電池冷却システムの一実施の形態における構成図である。
【図２】この発明の一実施の形態における燃料電池冷却システムの故障検知制御を示すフローチャートである。
【図３】前記実施の形態で使用される差圧閾値マップの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池冷却システム
２ 燃料電池
２ａ 冷却水通路（冷媒通路）
３ 冷却水ポンプ（冷媒ポンプ）

Claims (1)

1. 燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池内の冷媒通路に冷媒ポンプで冷媒を送り込み前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却システムの故障検知方法において、
   前記燃料電池の冷媒入口と冷媒出口の冷媒圧力差が前記冷媒ポンプの回転数から決定される閾値以下の状態を所定時間継続した場合に、燃料電池冷却システムが故障と判定することを特徴とする燃料電池冷却システムの故障検知方法。

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