JP2006269128A

JP2006269128A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2006269128A
Application number: JP2005082479A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Yanai; 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP4925594B2

Abstract

【課題】排気手段に故障が生じているか否かを正確に判定することができる燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】パージの開始前後において、燃料電池ＦＣｎの発生電圧を検知し、その発生電圧の変動量が所定電圧Ｘよりも大きいか否かを調べる。そして、パージの開始前後で燃料電池ＦＣｎの発生電圧が所定電圧Ｘよりも大きく低下した場合には、パージ弁ＳＶｎに故障が生じていないと判断し、パージの開始前後で燃料電池ＦＣｎの発生電圧が所定電圧Ｘよりも大きく低下しない場合（低下量がＸ以下である場合）には、パージ弁ＳＶｎに故障が生じていると判断する。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料ガスを用いた電気化学反応による起電力を発生する燃料電池装置に関する。

たとえば、固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、固体高分子膜を両側から挟むように、アノードとカソードとを配置した構成を有している。アノードおよびカソードには、それぞれ水素ガス流路および空気流路が設けられており、水素ガス流路を水素ガスが流れると、アノードにおいて、その水素ガス中の水素の酸化反応によって、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生成される。そして、そのプロトンが固体高分子膜を透過してカソードに到達すると、カソードにおいて、プロトンと空気流路を流れる空気中の酸素とから水を生成する反応が生じ、その結果として発電が行われる。

このような燃料電池セルでは、空気流路を流れる空気中の窒素が、固体高分子膜を透過してアノード側に移動する。このアノード側に移動した窒素は、反応に寄与せず、水素ガス流路に滞留する。また、固体高分子膜のアノード側はカソード側よりもドライな状態であるため、カソードで生成される水の一部が、固体高分子膜を浸透してアノード側に移動し、水素ガス流路に滞留する。

水素ガス流路に窒素や水などの不純物が滞留すると、水素ガスの流れが悪くなって、出力電圧が低下する。そのため、水素ガス流路には、水素ガスの流通方向におけるアノードの下流側に排出管が分岐して接続されており、一定期間ごとに、その排出管に介装されているパージ弁を開いて、水素ガス流路に滞留した不純物を水素ガスとともに排除すること（パージ）が行われる。

しかしながら、パージ弁が必ずしも正常に動作するとは限らない。パージ弁に故障が生じていると、たとえば、パージ弁が開かないために、水素ガス流路における不純物の滞留が進み、場合によっては、燃料電池セルが発電むら（水素ガスの局所的な供給）による著しいダメージを受けてしまう。そのため、水素ガス流路に水素ガスを供給するための供給路に圧力センサを設け、この圧力センサによって検出される供給路内の水素ガスの圧力の変動に基づいて、パージ弁に故障が生じているか否かを判定することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３−９１６２０号公報

燃料電池に備えられているパージ弁が１つだけであれば、そのパージ弁の開閉に伴って、供給路内の水素ガスの圧力が大きく変動するので、パージ弁に開信号（パージ弁の開を指示する信号）または閉信号（パージ弁の閉を指示する信号）が入力される前後における水素ガスの圧力の変動量に基づいて、パージ弁に故障が生じているか否かを判定することができる。

ところが、複数の燃料電池セルまたはスタックの水素ガス流路に共通の供給路から水素ガスが供給される構成の燃料電池において、１つまたは複数の燃料電池セルまたはスタックごとにパージ弁を設けることによって、不純物が滞留したセルまたはスタック部のみパージできるので、燃料の利用率が高くシステムの効率は良いが、多数のパージ弁が備えられるため、１つのパージ弁の開閉による供給路内の水素ガスの圧力の変動量は小さく、上記の提案に係る構成では、パージ弁に故障が生じているか否かを正確に判定することができない。

そこで、１つのパージ弁の開閉に伴って水素ガスの圧力が大きく変動する各水素ガス流路に圧力センサを設け、パージ弁に開信号または閉信号が入力される前後において、各圧力センサによって検出される圧力の変動量に基づいて、パージ弁に故障が生じているか否かを判定することが考えられる。しかしながら、上記提案に係る構成では、燃料電池の動作圧力の計測に必要な圧力センサは１つで良いのにもかかわらず、すべての水素ガス流路に圧力センサを設けるとなると、大幅なコストアップを余儀なくされる。

この発明は、上述のような背景の下になされたものであり、その目的は、排気手段に故障が生じているか否かを正確に判定することができる燃料電池装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、燃料電池装置において、燃料ガス供給源と、燃料ガスを用いた電気化学反応により電圧を発生する複数の発電部と、各前記発電部に設けられ、燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、各前記燃料ガス流路に共通に接続され、前記燃料ガス供給源からの燃料ガスを各前記燃料ガス流路に分配して供給するための供給路と、前記燃料ガス流路から燃料ガスを排気し、開信号の入力に応じて開き、閉信号の入力に応じて閉じるパージ弁を含む排気手段と、各前記発電部が発生する電圧を検出する電圧検出手段と、各前記電圧検出手段によって検出される、前記パージ弁の開閉による電圧の変動量に基づいて、前記排気手段に故障が生じているか否かを判定する故障判定手段とを備えていることを特徴としている。

前記発電部は、１つまたは複数の燃料電池セルを備える燃料電池であってもよいし、燃料電池セル自体であってもよい。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記発電部は、１つまたは複数の燃料電池セルを備える燃料電池であり、前記故障判定手段は、前記パージ弁への閉信号の入力の前後において、前記電圧検出手段によって検出される電圧の変動量に基づいて、前記パージ弁に故障が生じているか否かを判定するものであることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記供給路内における燃料ガスの圧力を検出する１つの圧力検出手段を備え、前記排気手段は、各前記発電部に対応して設けられていることを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、各発電部から発生される電圧が電圧検出手段によって検出され、その電圧検出手段によって検出される電圧の変動量に基づいて、排気手段に故障が生じているか否かが判定される。各発電部の燃料ガス供給路から燃料ガスとともに不純物を排除するためのパージ時において、排気手段が正常に動作してれば、燃料ガス供給路における燃料ガスの圧力の急激な低下に伴って、各発電部の発生電圧が急激に低下する。一方、排気手段に故障が生じているために、排気手段による排気が行われない場合には、燃料ガス供給路における燃料ガスの圧力が低下せず、各発電部の発生電圧の急激な低下も生じない。そのため、パージの開始前後または終了前後において、各電圧検出手段によって検出される電圧の変動量に基づいて、排気手段に故障が生じているか否かを正確に判定することができる。

請求項２記載の発明によれば、パージ弁への閉信号の入力の前後、つまりパージの終了前後において、電圧検出手段によって検出される電圧の変動量に基づいて、前記パージ弁に故障が生じているか否かが判定される。パージ終了前後の方が、パージの開始前後よりも発生電圧の変動率が大きいので、パージ弁に故障が生じているか否かをより正確に判定することができる。

請求項３記載の発明によれば、各発電部の発生電圧を検出する電圧検出手段は、各発電部における発電を制御するために不可欠なものであり、燃料電池装置に従来から備えられているので、複数の発電部（燃料電池セルまたは燃料電池スタック）の燃料ガス流路に共通の供給路から燃料ガスが供給され、排気手段が複数備えられているような多系統の構成の燃料電池装置においても、コストアップを招くことなく、既存の構成で排気手段に故障が生じているか否かを正確に判定することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池装置を図解的に示す全体構成図である。この燃料電池装置は、３つの発電部としての燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３と、これらの燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に供給される燃料ガスとしての水素ガスを貯留する燃料ガス供給源としての燃料タンク１１と、燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に空気を供給するためのエアコンプレッサ１２と、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えるマイクロコンピュータを含む構成の供給適否判定手段および故障判定手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）１３とを備えている。

各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３は、たとえば、燃料電池セル１４（図２参照）を複数積み重ねたスタック構造をなしている。
燃料電池セル１４は、図２に示すように、パーフルオロスルホン酸膜などのプロトン導電性の固体高分子膜１５と、白金などの貴金属の触媒が担持されるカーボンなどの多孔質電極からなるアノード１６およびカソード１７と、ガス不透過の導電性材料からなるセパレータ１８，１９と、カーボンペーパなどのガス透過性材料からなる集電体２０とを備えている。

アノード１６およびカソード１７は、固体高分子膜１５を、その両側から挟むようにして配置されており、セパレータ１８，１９は、これらアノード１６およびカソード１７を、さらにその両側から挟むようにして配置されている。そして、アノード１６とセパレータ１８との間およびカソード１７とセパレータ１９との間に、それぞれ集電体２０が介在されている。

セパレータ１８のアノード１６に対向する側の面には、葛折状の燃料ガス流路としての水素ガス内流路２１が形成されている。また、セパレータ１９のカソード１７に対向する側の面には、葛折状の空気流路２２が形成されている。
そして、水素ガス内流路２１に水素ガスが供給されるとともに、空気流路２２に空気が供給されると、電気化学反応が生じ、アノード１６とカソード１７との間に電圧（起電力）が発生する。

具体的には、水素ガス内流路２１に水素ガスが供給されると、その水素ガスがアノード１６の全面に供給され、アノード１６において、下記式（１）で示されるように、水素ガス中の水素の酸化反応が生じ、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生成される。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
この酸化反応によって生成されるプロトンは、固体高分子膜１５を透過して、カソード１７に向かう。そして、そのプロトンがカソード１７に到達すると、カソード１７において、下記式（２）で示されるように、プロトンと空気流路２２を流れる空気中の酸素とから水を生成する反応が生じる。

（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
この結果、アノード１６で生成される電子が外部回路（図示せず）を介してカソード１７に移動し、アノード１６とカソード１７との間に電圧が発生する。
図１を参照して、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３には、それぞれ水素ガス分配路２３，２４，２５を介して、燃料タンク１１から水素ガスが供給される供給路としての水素ガス供給路２６が接続されている。この水素ガス供給路２６上には、水素ガスの流通方向に順に、水素ガス供給路２６を流れる水素ガスの流量を調節する水素ガス流量調節弁２７と、水素ガス供給路２６における水素ガスの圧力を検出するための圧力検出手段としての圧力センサ２８とが設けられている。

燃料タンク１１から水素ガス供給路２６に供給される水素ガスは、各水素ガス分配路２３，２４，２５を介して、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に供給され、さらに各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３において各燃料電池セル１４の水素ガス内流路２１に並列に供給される。
また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３には、それぞれ水素ガス内流路２１から流出する水素ガスが流通する水素ガス外流路２９，３０，３１が接続されている。各水素ガス外流路２９，３０，３１には、それぞれ帰還路３２，３３，３４が途中部から分岐して接続されている。そして、各帰還路３２，３３，３４の先端は、水素ガス供給路２６の途中部であって、水素ガス流量調節弁２７と圧力センサ２８との間に接続されている。さらに、各水素ガス外流路２９，３０，３１には、それぞれ帰還路３２，３３，３４の分岐点よりも水素ガスの流通方向の下流側に、各水素ガス外流路２９，３０，３１を開閉するための排気手段としてのパージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３が介装されている。

各パージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３が閉じられた状態では、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の水素ガス内流路２１を流れる水素ガスは、各水素ガス外流路２９，３０，３１を流れ、各帰還路３２，３３，３４を通して水素ガス供給路２６に戻される。すなわち、各パージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３が閉じられた状態では、水素ガス供給路２６、水素ガス分配路２３，２４，２５、水素ガス内流路２１、水素ガス外流路２９，３０，３１および帰還路３２，３３，３４からなる循環路を水素ガスが循環する。

一方、各パージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３が開かれると、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の水素ガス内流路２１を流れる水素ガスは、各水素ガス外流路２９，３０，３１を通して排出される（パージ）。これにより、水素ガス内流路２１などに滞留した窒素ガスや水などの不純物が水素ガスとともに排除される。
また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３には、それぞれ空気分配路３８，３９，４０を介して、エアコンプレッサ１２から空気が供給される空気供給路４１が接続されている。この空気供給路４１上には、各空気分配路３８，３９，４０よりも空気の流通方向の上流側に、空気供給路４１を流れる空気の流量を調節する空気流量調節弁４２が介装されている。さらに、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３には、それぞれ空気流路２２を流れる空気を排出するための空気排出路４３，４４，４５が接続されている。

エアコンプレッサ１２から空気供給路４１に供給される空気は、各空気分配路３８，３９，４０を介して、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に供給され、さらに各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３において各燃料電池セル１４の空気流路２２に並列に供給される。そして、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の空気流路２２を流れる空気は、カソード１７で生成される水とともに、各空気排出路４３，４４，４５を通して排出される。

さらに、この燃料電池装置では、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の発生電圧をそれぞれ検出するための電圧検出手段としての電圧検出回路４６，４７，４８が備えられている。各電圧検出回路４６，４７，４８は、電子制御ユニット１３に接続されており、電子制御ユニット１３では、各電圧検出回路４６，４７，４８から入力される信号に基づいて、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３が発生する電圧を検知することができる。また、電子制御ユニット１３には、圧力センサ２８が接続されるとともに、水素ガス流量調節弁２７、空気流量調節弁４２およびパージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３が制御対象として接続されている。

電子制御ユニット１３は、水素ガス流量調節弁２７、空気流量調節弁４２およびパージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３の開閉を制御する。また、圧力センサ２８からの入力信号に基づいて、燃料タンク１１から水素ガス供給路２６への水素ガスの供給が適正に行われているか否かを判定する。具体的には、圧力センサ２８によって検出される水素ガスの圧力が予め定める範囲内であれば、燃料タンク１１から水素ガス供給路２６への水素ガスの供給が適正に行われていると判定し、圧力センサ２８によって検出される水素ガスの圧力が予め定める範囲を逸脱していれば、燃料タンク１１から水素ガス供給路２６への水素ガスの供給が適正に行われていないと判定する。さらに、電圧検出回路４６，４７，４８からの入力信号に基づいて、パージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３に故障が生じているか否かを判定する。

図３は、電子制御ユニット１３において実行されるパージ弁故障判定処理の流れを示すフローチャートである。このパージ弁故障判定処理は、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に対するパージ（水素ガス内流路２１などに滞留した窒素ガスや水などの不純物を水素ガスとともに排除する動作）と並行して実行される。
なお、以下の説明において、燃料電池ＦＣ１に対するパージと並行して実行されるパージ弁故障判定処理については「ｎ」を１と読み替え、燃料電池ＦＣ２に対するパージと並行して実行されるパージ弁故障判定処理については「ｎ」を２と読み替え、燃料電池ＦＣ３に対するパージと並行して実行されるパージ弁故障判定処理については「ｎ」を３と読み替えることとする。

燃料電池ＦＣｎに対するパージを行うべきタイミング（たとえば、一定期間ごと）になると、そのパージの開始前、つまりパージ弁ＳＶｎが開かれる前に、燃料電池ＦＣｎの発生電圧Ｖｎ’が検知される（ステップＳ１）。その後、パージを開始するタイミングになると（ステップＳ２のＹＥＳ）、パージ弁ＳＶｎに対して開信号（パージ弁ＳＶｎの開を指示する信号）が出力される（ステップＳ３）。

つづいて、燃料電池ＦＣｎの発生電圧Ｖｎが検知される（ステップＳ４）。そして、このパージ弁ＳＶｎに対して開信号が出力された後の発生電圧Ｖｎが、パージ開始前における燃料電池ＦＣｎの発生電圧Ｖｎ’から所定電圧Ｘだけ低下した電圧よりも低いか否かが判断される（ステップＳ５）。
パージ弁ＳＶｎに故障が生じておらず、パージ弁ＳＶｎが開信号の入力に応答して正常に開かれた場合、水素ガスが排出されることによって、図４に示すように、燃料電池ＦＣｎの各燃料電池セル１４の水素ガス内流路２１における水素ガスの圧力が急激に低下するとともに、それに伴って、燃料電池ＦＣｎの発生電圧が急激に低下する。一方、パージ弁ＳＶｎに故障が生じており、パージ弁ＳＶｎが開信号の入力にもかかわらず閉じられたままである場合には、水素ガスが排出されないので、燃料電池ＦＣｎの各燃料電池セル１４の水素ガス内流路２１における水素ガスの圧力が低下せず、燃料電池ＦＣｎの発生電圧の急激な低下も生じない。

そこで、ステップＳ５の判断が肯定された場合、つまりパージの開始前後で燃料電池ＦＣｎの発生電圧が所定電圧Ｘよりも大きく低下した場合には、パージ弁ＳＶｎに故障が生じていないと判断されて、パージ弁ＳＶｎに閉信号（パージ弁の閉を指示する信号）が入力されて、燃料電池ＦＣｎに対するパージが終了されるとともに（ステップＳ６）、このパージ弁故障判定処理が終了される。

一方、ステップＳ５の判断が否定された場合、つまりパージの開始前後で燃料電池ＦＣｎの発生電圧が所定電圧Ｘよりも大きく低下しない場合（低下量がＸ以下である場合）には、パージ弁ＳＶｎに故障が生じていると判断されて（ステップＳ７）、この燃料電池装置の動作が停止された後（ステップＳ８）、このパージ弁故障判定処理が終了される。
以上のように、燃料電池ＦＣｎから発生される電圧が検知され、その検知された電圧に基づいて、パージ弁ＳＶｎに故障が生じているか否かが判定される。

燃料電池ＦＣｎに対するパージ時において、パージ弁ＳＶｎが正常に開けば、水素ガス内流路２１における水素ガスの圧力の急激な低下に伴って、燃料電池ＦＣｎの発生電圧が急激に低下する。一方、パージ弁ＳＶｎに故障が生じているために、パージ弁ＳＶｎが開かない場合には、水素ガスの圧力が低下せず、燃料電池ＦＣｎの発生電圧の急激な低下も生じない。そのため、パージの開始前後において、燃料電池ＦＣｎの発生電圧を検知し、その発生電圧の変動量が所定電圧Ｘよりも大きいか否かを調べることによって、パージ弁ＳＶｎに故障が生じているか否かを正確に判定することができる。

また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の発生電圧を検出するための電圧検出回路４６，４７，４８は、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３における発電を制御するために不可欠なものであり、燃料電池装置には当然に備えられているので、各電圧検出回路４６，４７，４８によって検出される電圧に基づいて各パージ弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３の故障の有無を判定する構成を採用したことによって、燃料電池装置のコストアップを招くことはない。

図５は、この発明の他の実施形態に係る燃料電池装置を図解的に示す全体構成図である。この図５において、図１に示す各部と同等な部分には、図１の場合と同一の参照符号を付している。また、以下では、その図５において図１の場合と同一の参照符号を付した各部についての説明を省略する。
この図５に示す燃料電池装置では、１つの燃料電池ＦＣのみが備えられている。そして、この燃料電池ＦＣは、３つの発電部としての燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を積み重ねたスタック構造をなしている。各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、図２に示す燃料電池セル１４と同様な構成を有している。

また、水素ガス外流路３０，３１は、水素ガス外流路２９の途中部に接続されており、各水素ガス外流路３０，３１を流れる水素ガスは、水素ガス外流路２９を流れる水素ガスと合流するようになっている。そして、水素ガス外流路２９の途中部であって、水素ガス外流路３０，３１の合流点よりも水素ガスの流通方向の下流側には、帰還路５１が分岐して接続されており、その分岐点よりもさらに下流側には、排気手段としてのパージ弁ＳＶが介装されている。

パージ弁ＳＶが閉じられた状態では、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の水素ガス内流路２１を流れる水素ガスは、各水素ガス外流路２９，３０，３１を流れ、帰還路５１を通して水素ガス供給路２６に戻される。一方、各パージ弁ＳＶが開かれると、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の水素ガス内流路２１を流れる水素ガスは、各水素ガス外流路２９，３０，３１を通して排出される（パージ）。

さらに、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧をそれぞれ検出するための電圧検出手段としての電圧検出回路５２，５３，５４が備えられている。各電圧検出回路５２，５３，５４は、電子制御ユニット１３に接続されており、電子制御ユニット１３では、各電圧検出回路５２，５３，５４から入力される信号に基づいて、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が発生する電圧を検知することができる。また、電子制御ユニット１３には、圧力センサ２８が接続されるとともに、水素ガス流量調節弁２７、空気流量調節弁４２およびパージ弁ＳＶが制御対象として接続されている。

電子制御ユニット１３は、水素ガス流量調節弁２７、空気流量調節弁４２およびパージ弁ＳＶの開閉を制御する。また、圧力センサ２８からの入力信号に基づいて、燃料タンク１１から水素ガス供給路２６への水素ガスの供給が適正に行われているか否かを判定する。さらに、電圧検出回路５２，５３，５４からの入力信号に基づいて、パージ弁ＳＶに故障が生じているか否かを判定する。

図６は、電子制御ユニット１３において実行されるパージ弁故障判定処理の流れを示すフローチャートである。このパージ弁故障判定処理は、燃料電池ＦＣ（燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３）に対するパージと並行して実行される。
燃料電池ＦＣに対するパージを行うべきタイミング（たとえば、一定期間ごと）になると、そのパージの開始前、つまりパージ弁ＳＶが開かれる前に、燃料電池セルＣ１の発生電圧Ｖ１’、燃料電池セルＣ２の発生電圧Ｖ２’および燃料電池セルＣ３の発生電圧Ｖ３’が検知される（ステップＳ１１）。その後、パージを開始するタイミングになると（ステップＳ１２のＹＥＳ）、パージ弁ＳＶに対して開信号（パージ弁ＳＶの開を指示する信号）が出力される（ステップＳ１３）。

つづいて、燃料電池セルＣ１の発生電圧Ｖ１、燃料電池セルＣ２の発生電圧Ｖ２および燃料電池セルＣ３の発生電圧Ｖ３が検知される（ステップＳ１４）。そして、このパージ弁ＳＶに対して開信号が出力された後の発生電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が、それぞれパージ開始前における発生電圧Ｖ１’，Ｖ２’，Ｖ３’から所定電圧Ｘだけ低下した電圧よりも低いか否かが判断される（ステップＳ１５）。

パージ弁ＳＶｎに故障が生じておらず、かつ、燃料電池ＦＣ自体にも故障が生じていなければ、パージ弁ＳＶが開信号の入力に応答して正常に開かれると、水素ガスが排出されることによって、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の水素ガス内流路２１における水素ガスの圧力が急激に低下し、それに伴って、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧が急激に低下する。一方、パージ弁ＳＶに故障が生じており、パージ弁ＳＶが開信号の入力にもかかわらず閉じられたままである場合には、水素ガスが排出されないので、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の水素ガス内流路２１における水素ガスの圧力が低下せず、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧の急激な低下は生じない。

そこで、ステップＳ１５の各判断がすべて肯定された場合、つまりパージの開始前後で、すべての燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧が所定電圧Ｘよりも大きく低下した場合には、パージ弁ＳＶに故障が生じていないと判断されて、パージ弁ＳＶに閉信号（パージ弁の閉を指示する信号）が入力されて、燃料電池ＦＣに対するパージが終了されるとともに（ステップＳ１６）、このパージ弁故障判定処理が終了される。

一方、ステップＳ１５の判断が１つでも否定された場合、つまりパージの開始前後で少なくとも１つの燃料電池セルの発生電圧が所定電圧Ｘよりも大きく低下しなかった場合（低下量がＸ以下である場合）には、つづいて、パージ弁ＳＶに対して開信号が出力された後の発生電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちの少なくとも１つが、それぞれパージ開始前における発生電圧Ｖ１’，Ｖ２’，Ｖ３’から所定電圧Ｘだけ低下した電圧よりも高いか否かが判断される（ステップＳ１７）。

パージ弁ＳＶに故障が生じており、パージ弁ＳＶが閉じられたままである場合、水素ガスの排出が行われないので、すべての燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧に急激な低下は生じない。これに対し、パージ弁ＳＶは正常であるが、燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３のうちの１つまたは２つが異常である場合には、正常な燃料電池セルの水素ガス内流路２１における水素ガスの圧力は急激に低下し、それに伴って、その正常な燃料電池セルの発生電圧のみが急激に低下する。

そこで、ステップＳ１７の各判断が１つまたは２つ肯定された場合、つまり１つまたは２つの燃料電池セルの発生電圧が急激に低下した場合には、パージ弁ＳＶの故障ではなく、燃料電池ＦＣに故障が生じている（異常である）と判断されて（ステップＳ１８）、この燃料電池装置の動作が停止された後（ステップＳ２０）、このパージ弁故障判定処理が終了される。

一方、ステップＳ１７の各判断がすべて肯定された場合、つまりすべての燃料電池セルの発生電圧が急激に低下した場合には、パージ弁ＳＶに故障が生じている（異常である）と判断されて（ステップＳ１９）、この燃料電池装置の動作が停止された後（ステップＳ２０）、このパージ弁故障判定処理が終了される。
このように、３つの燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３からなる燃料電池ＦＣを備え、これらの燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に共通に設けられたパージ弁ＳＶを開くことによって、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３からのパージを達成する構成であっても、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧の変動量に基づいて、パージ弁ＳＶに故障が生じているか否かを正確に判定することができる。

また、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の発生電圧を検出するための電圧検出回路５２，５３，５４は、各燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３における発電を制御するために不可欠なものであり、燃料電池装置には当然に備えられているので、各電圧検出回路５２，５３，５４によって検出される電圧に基づいてパージ弁ＳＶの故障の有無を判定する構成を採用したことによって、燃料電池装置のコストアップを招くことはない。

以上、この発明の２つの実施形態を説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、図１に示す実施形態では、３つの燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３を備える構成の燃料電池装置を取り上げたが、燃料電池装置には、２つの燃料電池が備えられていてもよいし、４つ以上の燃料電池が備えられていてもよい。
また、図５に示す実施形態では、３つの燃料電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３からなる燃料電池ＦＣを備える構成の燃料電池装置を取り上げたが、燃料電池ＦＣには、２つの燃料電池セルが備えられていてもよいし、４つ以上の燃料電池セルが備えられていてもよい。３つ以上の燃料電池セルが備えられる場合、１つまたは複数の燃料電池セルごとにパージ弁を設けることによって、複数のパージ弁が備えられていてもよく、その場合に、この発明の効果を顕著に発揮することができる。

さらにまた、パージの開始前後において、燃料電池または燃料電池セルの発生電圧を検知し、その発生電圧の変動量に基づいて、パージ弁に故障が生じているか否かを判定する構成を取り上げたが、パージの終了前後（パージ弁に閉信号が入力される前後）において、燃料電池または燃料電池セルの発生電圧を検知し、その発生電圧の変動量に基づいて、パージ弁に故障が生じているか否かを判定するようにしてもよい。図４から明らかなように、パージの終了前後の方が、パージの開始前後よりも発生電圧の変動率が大きいので、そうすることにより、パージ弁に故障が生じているか否かをより正確に判定することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る燃料電池装置を図解的に示す全体構成図である。図１に示す燃料電池に備えられる燃料電池セルの概略断面図である。図１に示す電子制御ユニットにおいて実行されるパージ弁故障判定処理の流れを示すフローチャートである。図１に示すパージ弁の正常時および異常時における水素ガス圧力および各燃料電池の発生電圧の変化を示すグラフである。この発明の他の実施形態に係る燃料電池装置を図解的に示す全体構成図である。図５に示す電子制御ユニットにおいて実行されるパージ弁故障判定処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１燃料タンク
１３電子制御ユニット
１４燃料電池セル
２１水素ガス内流路
２６水素ガス供給路
２８圧力センサ
４６，４７，４８電圧検出回路
５２，５３，５４電圧検出回路
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３燃料電池セル
ＦＣ燃料電池
ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３燃料電池
ＳＶパージ弁
ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３パージ弁

Claims

燃料ガス供給源と、
燃料ガスを用いた電気化学反応により電圧を発生する複数の発電部と、
各前記発電部に設けられ、燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、
各前記燃料ガス流路に共通に接続され、前記燃料ガス供給源からの燃料ガスを各前記燃料ガス流路に分配して供給するための供給路と、
前記燃料ガス流路から燃料ガスを排気し、開信号の入力に応じて開き、閉信号の入力に応じて閉じるパージ弁を含む排気手段と、
各前記発電部が発生する電圧を検出する電圧検出手段と、
各前記電圧検出手段によって検出される、前記パージ弁の開閉による電圧の変動量に基づいて、前記排気手段に故障が生じているか否かを判定する故障判定手段とを備えていることを特徴とする、燃料電池装置。
前記発電部は、１つまたは複数の燃料電池セルを備える燃料電池であり、
前記故障判定手段は、前記パージ弁への閉信号の入力の前後において、前記電圧検出手段によって検出される電圧の変動量に基づいて、前記パージ弁に故障が生じているか否かを判定するものであることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
前記供給路内における燃料ガスの圧力を検出する１つの圧力検出手段を備え、
前記排気手段は、各前記発電部に対応して設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の燃料電池装置。