JP2005158432A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素濃度検出手段が正常に動作しているかどうかを判定できるようにして、燃料電池の水素側から放出される水素を含む排出ガス内部のガスを、常に適正な濃度にまで希釈して放出することが可能な信頼性の高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタックの水素側の排気系に、シャットオフバルブ及び希釈装置を設け、シャットオフバルブの開放によって燃料電池スタックの水素側から放出される排出ガス中の水素が、希釈装置によって希釈されて外部に放出されるようにする。また、燃料電池システム全体の動作を制御するコントロールユニットは、希釈装置に設けられた水素濃度センサが正常に動作しているか否かを診断する故障診断手段としての機能を有しており、希釈装置内部における水素濃度を推定して、その推定値が水素濃度センサの検出値と略一致した場合に、水素濃度センサが正常に動作しているものと判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気と水素とを基に燃料電池において発電を行う燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の水素側内部のガスを外部へ放出する際の希釈状態を確実に把握し得る信頼性の高い燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。

燃料電池システムは、燃料となる水素及び酸素（空気）を燃料電池の水素極及び空気極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。この燃料電池システムにおいては、供給された水素は燃料電池内で全て消費されるわけではなく、例えば水素パージにより水素極から排出される排出ガス（アノード排ガス）には、高い濃度で水素が含まれている。ここで、水素は可燃性であることを考えると、アノード排ガスを外部に放出する場合には、そのアノード排ガスを空気等で希釈して水素濃度を低減させた状態で放出することが望まれる。

燃料電池及びその周辺の水素を希釈させる方法としては、例えば、燃料電池及びその周辺要素をパッケージ内部に収納した燃料電池システムにおいて、換気手段によりパッケージ内部に外気を取り込んで、パッケージ内部に漏洩した水素の濃度を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。この特許文献１に記載される燃料電池システムでは、パッケージ内部の燃料電池及びその周辺要素から漏洩する水素（可燃性ガス）を水素濃度検出手段（可燃性ガス漏洩検出手段）で検出し、この水素濃度検出手段からの検知信号を基に、制御手段が換気風量を増加させることで、パッケージ内部における水素の濃度を低減させるようにしている。
特開平８−３１４３６号公報

ところで、前記特許文献１記載の燃料電池システムでは、水素濃度検出手段が常に正常に動作することを前提として、その検知信号を基に換気風量を制御するようにしている。しかしながら、水素濃度検出手段は、何らかの要因で故障が発生することも考えられ、このように水素濃度検出手段に故障が発生した場合、前記特許文献１記載の燃料電池システムでは、水素濃度検出手段の故障を診断する機能がないため、実際の水素濃度に応じた適切な換気風量の制御が行われないことになり、その結果、システムの信頼性が低下するという課題が存在する。

本発明は、以上のような従来技術が有する課題を解決すべく創案されたものであって、水素濃度検出手段が正常に動作しているかどうかを判定できるようにして、燃料電池の水素側から放出される水素を含む排出ガス内部のガスを、常に適正な濃度にまで希釈して放出することが可能な信頼性の高い燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の水素側出口の下流に当該燃料電池の水素側内部のガスを燃料電池外部へ放出するための放出手段を設け、この放出手段から放出される燃料電池からの排出ガスを希釈手段で希釈して放出するようにしている。希釈手段は、水素濃度検出手段によって検出される当該希釈手段内部における水素濃度に応じて、最適な流量の空気を周囲から吸い込み、これを放出手段から放出される燃料電池からの排出ガスと混合させることで、前記排出ガスを希釈する。

そして、特に、本発明の燃料電池システムでは、希釈手段内部における水素濃度を検出する水素濃度検出手段が正常に動作しているか否かを故障診断手段により診断するようにしている。故障診断手段は、希釈手段内部における水素濃度を推定し、その推定値が水素濃度検出手段の検出値と略一致した場合に、水素濃度検出手段が正常に動作しているものと判定する。

本発明の燃料電池システムによれば、希釈手段によって燃料電池の水素側内部のガスを空気で希釈して外部に排出するようにしているので、高濃度の水素ガスが外部に放出されることがなく、また、希釈手段に設置された水素濃度検出手段が正常に動作しているか否かを故障診断手段により診断するようにしているので、希釈手段における希釈状態を正確に把握することができる。したがって、燃料電池の水素側内部のガスを常に適正な濃度にまで希釈して放出することが可能となり、信頼性の向上を実現することができる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。本実施形態の燃料電池システムは、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタック（燃料電池）１と、フィルタ２、コンプレッサ３、空気流量センサ４、空気圧力制御弁５から構成される空気供給手段と、水素タンク６、プレッシャレギュレータ７、水素流量制御弁８から構成される水素供給手段とを備えている。また、燃料電池スタック１の水素側の排気系には、循環経路に配されるポンプ９と、循環経路からガスを排出するためのシャットオフバルブ（放出手段）１０、さらにはシャットオフバルブ１０の開放により燃料電池スタック１の水素側から放出される排出ガスを周囲の空気で希釈する希釈装置（希釈手段）１１が設けられている。希釈装置１１には、希釈装置１１内に空気を取り入れるためのファン１２が設けられるとともに、希釈装置１１内部の水素の濃度を検出する水素濃度センサ（水素濃度検出手段）１３、及びファン１２の回転数を検出する回転数センサ１４が設けられている。

その他、本実施形態の燃料電池システムには、制御系としてコントロールユニット２０が設けられるとともに、コンプレッサ２の回転数を検出する回転数センサ３０や、燃料電池スタック１の水素側圧力を検出する圧力センサ３１、燃料電池スタック１の空気側の圧力を検出する圧力センサ３２、燃料電池スタック１の水素側の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）３３、燃料電池スタック１の発電量を検出する発電量センサ（発電量検出手段）３４、燃料電池スタック１の水素側の湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）３５等の各種センサが設けられている。

以上の構成の燃料電池システムにおいて、先ず、空気供給手段では、コンプレッサ３が、フィルタ２を通して空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池スタック１へ空気を供給する。フィルタ２は、コンプレッサ３が吸い込む空気中の不純物を取り除く。また、コンプレッサ３は、コントロールユニット２０により回転数制御され、供給する空気流量が制御される。空気流量センサ４は、コンプレッサ２から供給される空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、空気流量センサ４の検出値に基づき、燃料電池スタック１へ供給される空気流量を制御する。空気圧力制御弁５は、コントロールユニット２０の指令により制御され、燃料電池スタック１の空気側の入口圧力を制御する。

また、水素供給手段では、 水素タンク６に水素が貯蔵されており、プレッシャレギュレータ７が、水素タンク６に貯蔵されている水素を一定の圧力に制御して出力する。水素流量制御弁８は、コントロールユニット２０の指令により制御され、燃料電池スタック１へ供給する水素の流量を制御し、これにより燃料電池スタック１の水素側の入口圧力を制御する。

また、燃料電池スタック１の水素側排気系において、ポンプ９は燃料電池スタック１から排出される未使用水素を吸込み、再度燃料電池スタック１へ供給する。シャットオフバルブ１０は、コントロールユニット２０の指令により制御され、必要に応じて、燃料電池スタック１の水素側におけるガスを燃料電池スタック１外部へ放出する。このとき、希釈装置１１は、シャットオフバルブ１０を介して燃料電池スタック１の水素側から放出される水素を希釈して、外部に排出する。具体的には、希釈装置１１内部における水素濃度が水素濃度センサ１３により検出され、検出値がコントロールユニット２０に入力される。コントロールユニット２０は、この水素濃度センサ１３の検出値に基づいて希釈装置１１内部に導入する空気流量を決定し、決定した空気流量がファン１２によって希釈装置１１内部に吐出されるように、ファン１２の動作を制御する。このとき、コントロールユニット２０は、回転数センサ１４によって検出されるファン１２の回転数が目標値となるように、ファン１２の動作を制御する。これにより、燃料電池スタック１の水素側から放出される水素が、希釈装置１１内部に吸い込まれた周囲の空気と混合され、希釈された上で外部に排出されることになる。

コントロールユニット２０は、燃料電池システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品へ指令を送り、燃料電池システム全体の動作を制御する。具体的には、コントロールユニット２０は、回転数センサ３０の検出値を読み込み、コンプレッサ３の回転数が目標回転数となるように、コンプレッサ３の動作を制御する。また、コントロールユニット２０は、圧力センサ３１の検出値を読み込み、燃料電池スタック１の水素側の圧力が目標圧力となるように、水素流量制御弁８を制御する。

また、コントロールユニット２０は、圧力センサ３２の検出値を読み込み、燃料電池スタック１の空気側の圧力が目標圧力となるように、空気圧力制御弁５を制御する。さらに、コントロールユニット２０は、温度センサ３３により検出される燃料電池スタック１の水素側の温度や、発電量センサ３４により検出される燃料電池スタック１の発電量、湿度センサ３５により検出される燃料電池スタック１の水素側の湿度等に基づき、燃料電池スタック１の状態を把握し、これに応じて、燃料電池スタック１が最適な状態で運転されるように各種の制御を実行する。

また、特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット２０が、希釈装置１１に設けられた水素濃度センサ１３が正常に動作しているか否かを診断する故障診断手段としての機能を有している。具体的には、コントロールユニット２０は、詳細を後述するように、希釈装置１１内部における水素濃度を推定し、その推定値が水素濃度センサ１３の検出値と略一致した場合に、水素濃度センサ１３が正常に動作しているものと判定する。

ここで、以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２０が水素濃度センサ１３の故障診断を行う具体的な手法について説明する。

図２は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、水素濃度センサ１３の故障を診断する処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すフローは、コントロールユニット２０において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。

水素濃度センサ１３の故障診断に際しては、先ず、ステップＳ１において、シャットオフバルブ１０の開放によって放出される燃料電池スタック１の水素側におけるガスの流量Ｑを推定する。ここで、ガス流量Ｑは、例えば下記式（１）で求められる。

Ｑ＝Ａ×√Ｐ／Ｔ ・・・（１）
この式（１）において、Ａはシャットオフバルブ１０の流量係数に基く値であり、実験的に定める定数である。また、Ｐは燃料電池スタック１の水素側の圧力であり、圧力センサ３１により検出される。また、Ｔは燃料電池スタック１の水素側の温度（絶対温度）であり、温度センサ３３により検出される。なお、本ステップが、排出ガス流量推定手段に相当する。

また、ステップＳ２において、ファン１２が希釈装置１１内部に吐出する空気の流量Ｖを推定する。ここで、空気流量Ｖは、例えば下記式（２）で求められる。

Ｖ＝Ｂ×ＮＦ ・・・（２）
この式（２）において、Ｂはファン１２における回転数と吐出する空気流量との関係を表す換算係数である。また、ＮＦはファン１２の回転数であり、回転数センサ１４により検出される。なお、本ステップが、空気流量推定手段に相当する。

そして、ステップＳ３において、希釈装置１１内部における水素濃度Ｈ１を推定する。ここで、水素濃度推定値Ｈ１は、例えば下記式（３）で求められる。

Ｈ１＝Ｃ１×Ｑ/（Ｑ＋Ｖ）＋Ｃ２ ・・・（３）
この式（３）において、Ｑ/（Ｑ＋Ｖ）は、シャットオフ１０の開放によって放出される燃料電池スタック１の水素側におけるガスが全て水素であり、且つ、希釈装置１１内部に水素が残留していないと仮定した場合の水素濃度を示す基準推定値であり、Ｃ１、Ｃ２は、実際のシステム運転状態に応じて、この基準推定値に対して補正を加えるための補正係数である。

ここで、補正係数Ｃ２は、図３に示すように、前回、シャットオフバルブ１０による燃料電池スタック１の水素側におけるガスの放出を終了した時点からの経過時間ｔ１に基づき、この経過時間がｔ１短いほど、大きな値とする。このような補正係数Ｃ２により前記基準推定値を補正することにより、前回ガスの放出を終了した後に希釈装置１１内部に残留する水素による水素濃度上昇分が補償され、希釈装置１１内部における水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

すなわち、図４に示すように、前回、シャットオフバルブ１０による燃料電池スタック１の水素側におけるガスの放出を終了した時点からの経過時間ｔ１が短い場合、今回のガス放出においては、図中破線で示す残留水素が無い場合の水素濃度に比べて、前回ガス放出時の残留水素により、図中実線で示すように水素濃度が高くなる。そこで、この前回ガス放出時の残留水素による水素濃度上昇分を、補正係数Ｃ２で補償するようにしている。

さらに、補正係数Ｃ２は、図３に示す値に対し、図５に示すような補正係数Ｃ３、すなわち、前回のシャットオフバルブ１０による燃料電池スタック１の水素側におけるガスの放出を終了した時点における水素濃度推定値Ｈ１０が大きいほど大きい値を示す補正係数Ｃ３を乗じた値としてもよい。前回ガスの放出を終了した時点における水素濃度が高いほど、前回ガスの放出を終了した後に希釈装置１１内部に残留する水素濃度は高くなる。したがって、図３に示す値に対して、以上のような補正係数Ｃ３を乗じた値を補正係数Ｃ２とし、この補正係数Ｃ２で前記基準推定値を補正することにより、前回ガスの放出を終了した後に希釈装置１１内部に残留する水素による水素濃度上昇分がより適切に補償され、水素濃度を更に高精度に推定することが可能となる。

一方、補正係数Ｃ１は、図６乃至図１０に基づいて決定される。

すなわち、コントロールユニット２０は、図６に示すように、燃料電池スタック１の発電量を検出する発電量センサ３４の検出値に基づき、燃料電池スタック１の発電量が大きいほど、補正係数Ｃ１を小さい値とする。

燃料電池スタック１の発電量が大きい場合、燃料電池スタック１の水素側内部のガスに含まれる水蒸気分が大きくなっており、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分も大きくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が低下することになる。したがって、燃料電池スタック１の発電量が大きいほど補正係数Ｃ１を小さい値とすることで、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分が適切に補正され、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、図７に示すように、燃料電池スタック１の水素側における湿度を検出する湿度センサ３５の検出値に基づき、燃料電池スタック１の水素側における湿度が高いほど、補正係数Ｃ１を小さい値とするようにしてもよい。

燃料電池スタック１の水素側における湿度が高い場合は、燃料電池スタック１の水素側内部のガスに含まれる水蒸気分が大きくなっており、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分も大きくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が低下することになる。したがって、燃料電池スタック１の水素側における湿度が高いほど補正係数Ｃ１を小さい値とすることによっても、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分が適切に補正されることになり、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、図８に示すように、燃料電池スタック１の水素側における温度を検出する温度センサ３３の検出値に基づき、燃料電池スタック１の水素側における温度が高いほど、補正係数Ｃ１を小さい値とするようにしてもよい。

燃料電池スタック１の水素側における温度が高い場合は、燃料電池スタック１の水素側内部のガスに含まれる水蒸気分が大きくなっており、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分も大きくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が低下することになる。したがって、燃料電池スタック１の水素側における温度が高いほど補正係数Ｃ１を小さい値とすることによっても、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分が適切に補正されることになり、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、前回、シャットオフバルブ１０がガス放出を終了した時点から、今回、シャットオフバルブ１０がガス放出を開始するまでの間における、燃料電池スタック１の総発電量を検出し、図９に示すように、検出した燃料電池スタック１の総発電量が大きいほど、補正係数Ｃ１を小さい値とする。ここで、以上のような燃料電池スタック１の総発電量は、燃料電池スタック１の発電量を検出する発電量センサ３４の検出値を積分する（総発電量検出手段に相当）ことにより求めることができる。

前回シャットオフバルブ１０がガス放出を終了した時点から、今回シャットオフバルブ１０がガス放出を開始するまでの間における燃料電池スタック１の総発電量が大きい場合、燃料電池スタック１の空気側から水素側へ移動する窒素の量が増えて、燃料電池スタック１の水素側内部のガスに含まれる窒素分が大きくなっており、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる窒素分も大きくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が低下することになる。したがって、以上のような燃料電池スタック１の総発電量が大きいほど補正係数Ｃ１を小さい値とすることで、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる窒素分が適切に補正され、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、図１０に示すように、燃料電池システム運転開始時からの経過時間ｔ２に基づき、当該経過時間ｔ２が、燃料電池スタック１の水素側内部のガスに含まれる空気分が略零になるまでの時間である起動時間Ｔ１以内である場合においては、燃料電池システム運転開始時からの経過時間ｔ２が短いほど、補正係数Ｃ１を小さい値とする。

燃料電池システムの運転開始直後は、燃料電池スタック１の水素側内部のガスは空気を多く含み、運転開始後、徐々に空気分が低下して、所定の起動時間Ｔ１が経過した段階で、燃料電池スタック１の水素側内部のガスに含まれる空気分が略零になる。このため、燃料電池システム運転開始からの経過時間ｔ２が起動時間Ｔ１に達していない段階では、経過時間ｔ２が短いほど、燃料電池の水素側内部のガスに含まれる空気分が大きくなっており、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる空気分も大きくなり、相対的にシャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水素分が低下することになる。したがって、燃料電池システム運転開始からの経過時間ｔ２が起動時間Ｔ１に達していない段階では、経過時間ｔ２が短いほど補正係数Ｃ１を小さい値とすることで、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる空気分が適切に補正され、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

以上により補正係数Ｃ１，Ｃ２を設定し、これら補正係数Ｃ１，Ｃ２で前記基準推定値を補正して希釈装置１１内部における水素濃度Ｈ１を求めたら、次に、ステップＳ４において、希釈装置１１内部における実際の水素濃度Ｈ２を水素濃度センサ１３により検出する。そして、ステップＳ５において、水素濃度推定値Ｈ１と水素濃度センサ１３の検出値Ｈ２とを比較して、これらの値が略一致するか否か判定する。

なお、水素濃度センサ１３が実際に水素を検出してから検出結果を出力するまでの間には、図１１に示すように、所定の遅れ時間が発生することになる。そこで、ステップＳ５における比較判定処理を行う場合、コントロールユニット２０は、この水素濃度センサ１３による検出遅れ時間に相当する所定時間Ｔ２分だけ過去に推定した水素濃度推定値と、現時点での水素濃度センサ１３からの検出値Ｈ２とを比較して、これらの値が略一致するか否かを判定することが望ましい。

また、以上のような水素濃度センサ１３における検出遅れ時間は、一般的に、検出する水素濃度が大きいほど短くなる。したがって、コントロールユニット２０は、図１２に示すように、水素濃度推定値Ｈ１が大きいほど、水素濃度センサ１３による検出遅れ時間に相当する所定時間Ｔ２を短くすることが望ましい。これにより、水素濃度センサ１３の検出値Ｈ２と、水素濃度推定値Ｈ１とをより適切に比較することが可能となる。

ステップＳ５の比較判定処理の結果、水素濃度推定値Ｈ１と水素濃度センサ１３の検出値Ｈ２とが略一致する場合には、ステップＳ６へ進んで、水素濃度センサ１３は正常に動作しているものと判定する。一方、両者が異なる場合には、ステップＳ７へ進み、水素濃度センサ１３に異常が生じていると判定する。そして、水素濃度センサ１３に異常が生じていると判定した場合には、例えば、水素濃度センサ１３の検出値Ｈ２に代えて、水素濃度推定値Ｈ１に基づいてファン１２の動作を制御して、希釈装置１１により継続的に適切な水素の希釈が行えるようにすると共に、警告灯の点灯等、何らかのかたちで水素濃度センサ１３の異常を知らせる報知を行う。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット２０が、希釈装置１１に設けられた水素濃度センサ１３が正常に動作しているか否かを診断する故障診断手段としての機能を有しているので、希釈装置１１における水素の希釈状態を正確に把握することができ、燃料電池スタック１の水素側内部の水素を常に適正な濃度にまで希釈して放出することが可能となり、信頼性の向上を実現することができる。特に、コントロールユニット２０は、希釈装置１１内部における水素濃度を推定し、その推定値が水素濃度センサ１３の検出値と略一致した場合に、水素濃度センサ１３が正常に動作しているものと判定するようにしているので、水素濃度センサ１３が正常に動作しているか否かの診断を的確に行うことができる。

また、コントロールユニット２０は、希釈装置１１内部における水素濃度を推定する際に、シャットオフバルブ１０の開放によって燃料電池スタック１の水素側から放出される排出ガスの流量をＱ、ファン１２が希釈装置１１内部に吐出する空気の流量をＶとし、Ｑ／（Ｑ＋Ｖ）で求められる値を基準推定値とし、この基準推定値に基づいて水素濃度推定値Ｈ１を求めるようにしているので、希釈装置１１内部における水素濃度を適切に推定することができる。すなわち、シャットオフバルブ１０から放出される排出ガスは、水素を主成分とし、これに少量の水蒸気・窒素・空気等が含まれたものであり、この排出ガスをファン１２によって希釈装置１１内部に吐出される空気と混合した場合のガス濃度（基準推定値）は、希釈装置１１内部の水素濃度と略一致することになる。したがって、この基準推定値に基づいて水素濃度推定値Ｈ１を求めることで、希釈装置１１内部における水素濃度を適切に推定することができる。

さらにまた、コントロールユニット２０は、前回、シャットオフバルブ１０による燃料電池スタック１の水素側におけるガスの放出を終了した時点からの経過時間ｔ１に基づき、この経過時間がｔ１短いほど大きな値となる補正係数Ｃ２で基準推定値を補正して水素濃度推定値Ｈ１を求めるようにしているので、前回ガスの放出を終了した後に希釈装置１１内部に残留する水素による水素濃度上昇分を補正して、希釈装置１１内部における水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、前記経過時間ｔ１に基づいた値に対し、前回のシャットオフバルブ１０による燃料電池スタック１の水素側におけるガスの放出を終了した時点における水素濃度推定値が大きいほど大きい値を示す補正係数Ｃ３を乗じて補正係数Ｃ２を求め、この補正係数Ｃ２で基準推定値を補正して水素濃度推定値Ｈ１を求めるようにしているので、前回ガスの放出を終了した後に希釈装置１１内部に残留する水素による水素濃度上昇分をより適切に補償して、水素濃度を更に高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、発電量センサ３４によって検出される燃料電池スタック１の発電量が大きいほど、または、湿度センサ３５によって検出される燃料電池スタック１の水素側における湿度が高いほど、または、温度センサ３３によって検出される燃料電池スタック１の水素側における温度が高いほど、小さい値となる補正値Ｃ１を基準推定値に乗じて水素濃度推定値Ｈ１を求めるようにしているので、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる水蒸気分を適切に補正して、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、前回シャットオフバルブ１０がガス放出を終了した時点から、今回シャットオフバルブ１０がガス放出を開始するまでの間における、燃料電池スタック１の総発電量を検出し、検出した燃料電池スタック１の総発電量が大きいほど、小さい値となる補正係数Ｃ１を基準推定値に乗じて水素濃度推定値Ｈ１を求めるようにしているので、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる窒素分を適切に補正して、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、燃料電池システムの運転開始時からの経過時間が起動時間Ｔ１以内である場合においては、燃料電池システム運転開始時からの経過時間ｔ２が短いほど、小さい値となる補正値Ｃ１を基準推定値に乗じて水素濃度推定値Ｈ１を求めるようにしているので、シャットオフバルブ１０から放出されるガスに含まれる空気分を適切に補正して、水素濃度をより高精度に推定することが可能となる。

また、コントロールユニット２０は、水素濃度センサ１３による検出遅れ時間に相当する所定時間Ｔ２分だけ過去に推定した水素濃度推定値と、現時点での水素濃度センサ１３からの検出値Ｈ２とを比較して、水素濃度センサ１３が正常に動作しているか否かを判定するようにしており、特に、水素濃度推定値Ｈ１が大きいほど、水素濃度センサ１３による検出遅れ時間に相当する所定時間Ｔ２を短く設定しているので、水素濃度センサ１３の検出遅れ時間を補償して、水素濃度センサ１３の診断をより正確に行うことができる。

本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実行される故障診断処理の流れを示すフローチャートである。 経過時間ｔ１と補正係数Ｃ２との関係を示す特性図である。 経過時間ｔ１経過後のガス放出時における水素濃度の様子を示す特性図である。 前回のガス放出終了時における水素濃度推定値Ｈ１０と補正係数Ｃ３との関係を示す特性図である。 燃料電池スタックの発電量と補正係数Ｃ１との関係を示す特性図である。 燃料電池スタックの水素側の湿度と補正係数Ｃ１との関係を示す特性図である。 燃料電池スタックの水素側の温度と補正係数Ｃ１との関係を示す特性図である。 前回のガス放出終了時から今回のガス放出開始時までの間における燃料電池スタックの総発電量と補正係数Ｃ１との関係を示す特性図である。 燃料電池システムの運転開始直後における経過時間ｔ２と補正係数Ｃ１との関係を示す特性図である。 水素濃度センサが実際に水素を検出してから検出結果を出力するまでの間の遅れを説明する図である。 水素濃度推定値Ｈ１と所定時間Ｔ２との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１０ シャットオフバルブ
１１ 希釈装置
１２ ファン
１３ 水素濃度センサ
２０ コントロールユニット
３３ 温度センサ
３４ 発電量センサ
３５ 湿度センサ

Claims (11)

1. 水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の水素側出口の下流に設けられ、前記燃料電池の水素側内部のガスを当該燃料電池の外部へ放出するための放出手段と、
   周囲の空気を吸い込み、これを前記放出手段により放出される排出ガスと混合することで当該排出ガスを希釈する希釈手段と、
   前記希釈手段内部における水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
   前記希釈手段内部における水素濃度を推定し、その推定値が前記水素濃度検出手段の検出値と略一致した場合に、前記水素濃度検出手段が正常に動作しているものと判定する故障診断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記故障診断手段は、
   前記放出手段により放出される排出ガスの流量を推定する排出ガス流量推定手段と、
   前記希釈手段内部に吸い込まれる空気の流量を推定する空気流量推定手段とを有し、
   前記排出ガス流量推定手段の推定値をＱ、前記空気流量推定手段の推定値をＶとしたときに、Ｑ／（Ｑ＋Ｖ）で求められる値を基準推定値とし、この基準推定値に基づいて前記希釈手段内部における水素濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記故障診断手段は、前記放出手段が前回排出ガスの放出を終了した時点からの経過時間に基づき、当該経過時間が短いほど大きい補正値を前記基準推定値に加算して、前記希釈手段内部における水素濃度を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記故障診断手段は、前記放出手段が前回排出ガスの放出を終了した時点で推定した前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が大きいほど、前記補正値を大きな値とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段を更に備え、
   前記故障診断手段は、前記発電量検出手段の検出結果に基づき、当該検出結果が大きいほど前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が小さくなるように、前記基準推定値を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の水素側における湿度を検出する湿度検出手段を更に備え、
   前記故障診断手段は、前記湿度検出手段の検出結果に基づき、当該検出結果が高いほど前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が小さくなるように、前記基準推定値を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の水素側における温度を検出する温度検出手段を更に備え、
   前記故障診断手段は、前記温度検出手段の検出結果に基づき、当該検出結果が高いほど前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が小さくなるように、前記基準推定値を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記放出手段が前回排出ガスの放出を終了した時点から、前記放出手段が今回排出ガスの放出を開始するまでの間における前記燃料電池の総発電量を検出する総発電量検出手段を更に備え、
   前記故障診断手段は、前記総発電量検出手段の検出結果に基づき、当該検出結果が大きいほど前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が小さくなるように、前記基準推定値を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
9. 前記故障診断手段は、システム運転開始からの経過時間が前記燃料電池の水素側内部のガスに含まれる空気分が略零になるまでの起動時間内においては、システム運転開始からの経過時間が短いほど前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が小さくなるように、前記基準推定値を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
10. 前記故障診断手段は、前記水素濃度検出手段が実際に水素を検出してから検出結果を出力するまでの遅れ時間に相当する所定時間分だけ過去に推定した推定値が、前記水素濃度検出手段の検出値と略一致した場合に、前記水素濃度検出手段が正常に動作しているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記故障診断手段は、前記希釈手段内部における水素濃度の推定値が大きいほど、前記所定時間を短い時間に設定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。

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